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CAPÍTULO 13: SEDIMENT IN SEDIMENTOS NO CICLO HIDROLÓGICO |
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"If a large dam is constructed on an alluvial-bed river, all of the sediment normally transported will be trapped. The clear water released will tend to erode the channel bed downstream from the dam until a new equilibrium is established." "Se uma grande barragem for construída em um rio de leito aluvial, todo o sedimento normalmente transportado ficará preso.
A água limpa liberada tenderá a corroer o leito do canal a jusante da barragem
até que um novo equilíbrio seja estabelecido ".
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This chapter is divided into five sections. Section 13.1 describes sediment properties; Section 13.2 describes sediment production, sediment sources, and sediment yield; Section 13.3 discusses sediment transport, sediment transport formulas, and sediment rating curves, including a brief introduction to sediment routing; Section 13.4 describes sediment deposition in reservoirs; and Section 13.5 describes sediment measurement techniques. Este capítulo está dividido em cinco seções. A seção 13.1 descreve as propriedades dos sedimentos; A Seção 13.2 descreve a produção de sedimentos, as fontes de sedimentos e a produção de sedimentos; A Seção 13.3 discute o transporte de sedimentos, as fórmulas de transporte de sedimentos e as curvas de classificação de sedimentos, incluindo uma breve introdução ao roteamento de sedimentos; A Seção 13.4 descreve a deposição de sedimentos em reservatórios; e a Seção 13.5 descreve técnicas de medição de sedimentos. |
13.1 PROPRIEDADES DOS SEDIMENTOS
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Rainfall and surface runoff are the agents responsible for the detachment and movement of soil particles on the land surface. These soil particles are referred to as sediments. The study of sediment detachment and movement is an important subject in engineering hydrology. Indeed, the subject of sediment transcends engineering hydrology to encompass the related fields of fluvial geomorphology, sediment transport, and sedimentation and river engineering [2, 4, 25, 40].
As chuvas e o escoamento superficial são os agentes responsáveis pelo desprendimento e movimento das partículas do solo na superfície terrestre. Essas partículas do solo são chamadas de sedimentos. O estudo do descolamento e movimento de sedimentos é um assunto importante na engenharia hidrológica. De fato, o assunto de sedimentos transcende a hidrologia da engenharia para abranger os campos relacionados da geomorfologia fluvial, transporte de sedimentos e sedimentação e engenharia de rios [2, 4, 25, 40].
The study of sediments in the hydrologic cycle can be divided into the following three processes: (1) production, (2) transport, and (3) deposition. These can be linked to the various liquid-transport phases of the hydrologic cycle. At the catchment level, sediment production by soil particle detachment is primarily the result of raindrop impact. Once detachment has taken place, surface runoff acts to transport sediment downslope, first as overland flow (sheet and rill flow), and eventually as stream and river flow. Deposition of sediment occurs at any point downstream where the kinetic energy of the flow is insufficient to support sediment entrainment in the flowing water.
O estudo de sedimentos no ciclo hidrológico pode ser dividido nos três processos a seguir: (1) produção, (2) transporte e (3) deposição. Estes podem ser ligados às várias fases de transporte de líquidos do ciclo hidrológico. No nível da bacia hidrográfica, a produção de sedimentos por descolamento de partículas no solo é principalmente o resultado do impacto da gota de chuva. Uma vez realizado o descolamento, o escoamento superficial atua para transportar os sedimentos descendo a ladeira, primeiro como escoamento terrestre (escoamento de lâmina e riacho) e, eventualmente, escoamento de córrego e rio. A deposição de sedimentos ocorre em qualquer ponto a jusante, onde a energia cinética do fluxo é insuficiente para suportar o arrastamento de sedimentos na água corrente.
Sediment production refers to the processes by which sediment is produced, the identification of sediment sources and amounts, and the determination of sediment yields. The source of sediment can usually be traced back to the upland catchments, although these are by no means the only source. In certain cases, streambank erosion in the lower valleys may constitute an important source of sediment.
A produção de sedimentos refere-se aos processos pelos quais o sedimento é produzido, a identificação de fontes e quantidades de sedimentos e a determinação da produção de sedimentos. A fonte de sedimentos geralmente pode ser rastreada até as bacias hidrográficas, embora essas não sejam de forma alguma a única fonte. Em certos casos, a erosão das margens dos vales inferiores pode constituir uma importante fonte de sedimentos.
Sediment from upland catchments is delivered to streams and rivers, wherein sediment transport takes place. Sediment transport refers to the mechanisms by which sediment is moved downstream by flowing water, either in suspension or by rolling and sliding along the river bottom.
Os sedimentos das bacias hidrográficas são entregues aos córregos e rios, onde ocorre o transporte de sedimentos. O transporte de sedimentos se refere aos mecanismos pelos quais os sedimentos são movidos rio abaixo pela água corrente, em suspensão ou rolando e deslizando ao longo do fundo do rio.
The transport of sediment continues in the downstream direction until the flow is no longer able to carry the sediment, at which time sediment deposition occurs. Typically, the first opportunity for sediment deposition is at the entrance to reservoirs and water impoundments, where the flow is decelerated by the action of structures. Deposition is also likely to occur naturally, for instance, downstream of sudden decreases in energy slope or in situations where the capacity of the flow to carry sediment is substantially diminished. In the absence of these natural or human-made features, sediment transport by the flow may continue unabated until it reaches the estuary or ocean, at which time the flow loses its kinetic energy and sediment deposition goes on to contribute to delta growth.
O transporte de sedimentos continua na direção a jusante até que o fluxo não seja mais capaz de transportar o sedimento, momento em que ocorre a deposição de sedimentos. Normalmente, a primeira oportunidade para deposição de sedimentos é na entrada de reservatórios e represas de água, onde o fluxo é desacelerado pela ação de estruturas. Também é provável que a deposição ocorra naturalmente, por exemplo, a jusante de quedas repentinas na inclinação da energia ou em situações em que a capacidade do fluxo de transportar sedimentos seja substancialmente diminuída. Na ausência dessas características naturais ou criadas pelo homem, o transporte de sedimentos pelo fluxo pode continuar inabalável até atingir o estuário ou oceano, momento em que o fluxo perde sua energia cinética e a deposição de sedimentos continua a contribuir para o crescimento delta.
Sediment Formation
Formação de sedimentos
Sediments are the products of disintegration and decomposition of rocks. Disintegration includes all processes by which rocks are broken into smaller pieces without substantial chemical change. The disintegration of rocks is caused either by large temperature changes or by alternate cycles of freezing and thawing. Decomposition refers to the breaking down of mineral components of rocks by chemical reaction. Decomposition includes the follwing processes: (1) carbonation, (2) hydration, (3) oxidation, and (4) solution.
Sedimentos são produtos de desintegração e decomposição de rochas. A desintegração inclui todos os processos pelos quais as rochas são quebradas em pedaços menores sem alteração química substancial. A desintegração das rochas é causada por grandes mudanças de temperatura ou por ciclos alternados de congelamento e descongelamento. Decomposição refere-se à decomposição de componentes minerais de rochas por reação química. A decomposição inclui os seguintes processos: (1) carbonatação, (2) hidratação, (3) oxidação e (4) solução.
Carbon dioxide (CO2), present in the atmosphere and organic sources, readily unites with water to form carbonic acid (H2CO3). Carbonic acid reacts with feldspars to produce clay minerals, silica, calcite, and other relatively soluble carbonates containing potassium, sodium, iron, and magnesium. The addition of water to many of the minerals present in igneous rocks results in the formation of clay minerals such as aluminum silicates. Many secondary minerals are formed from igneous rocks by oxidation, which is accelerated by the presence of moisture in the air. Solution is another important mechanism in the alteration of igneous rock. Oxygen combines with other elements to form sulfates, carbonates, and nitrates, most of which are relatively soluble. The amount (by weight) of dissolved solids carried by streams in the contiguous United States has been estimated at more than 50 percent of the amount of suspended sediment [32].
O dióxido de carbono (CO2), presente na atmosfera e em fontes orgânicas, se une prontamente à água para formar o ácido carbônico (H2CO3). O ácido carbônico reage com feldspatos para produzir minerais argilosos, sílica, calcita e outros carbonatos relativamente solúveis que contêm potássio, sódio, ferro e magnésio. A adição de água a muitos dos minerais presentes nas rochas ígneas resulta na formação de minerais argilosos, como os silicatos de alumínio. Muitos minerais secundários são formados a partir de rochas ígneas por oxidação, que é acelerada pela presença de umidade no ar. A solução é outro mecanismo importante na alteração de rochas ígneas. O oxigênio se combina com outros elementos para formar sulfatos, carbonatos e nitratos, a maioria dos quais é relativamente solúvel. A quantidade (em peso) de sólidos dissolvidos transportada por correntes nos Estados Unidos contíguos foi estimada em mais de 50% da quantidade de sedimentos em suspensão [32].
Particle Characteristics
Características de Partículas
The characteristics of mineral grains help describe the properties of sediments. Among them are: (1) size, (2) shape, (3) specific weight and specific gravity, and (4) fall velocity.
As características dos grãos minerais ajudam a descrever as propriedades dos sedimentos. Entre eles estão: (1) tamanho, (2) forma, (3) peso específico e gravidade específica e (4) velocidade de queda.
Size. Particle size is a readily measured sediment characteristic. A widely accepted classification of sediments according to size is shown in Table 13-1. Five groups of sizes are included in this table: (1) boulders and cobbles, (2) gravel, (3) sand, (4) silt, and (5) clay. Boulders and cobbles can be measured individually. Gravel-size particles can be measured individually or by sieving. Sand-size particles are readily measured by sieving. A No. 200 screen is used to separate sand particles from finer particles such as silt and clay. Silt and clay particles are separated by measuring the differences in their rate of fall in still water.
Tamanho. O tamanho das partículas é uma característica facilmente medida dos sedimentos. Uma classificação amplamente aceita de sedimentos de acordo com o tamanho é mostrada na Tabela 13-1. Cinco grupos de tamanhos estão incluídos nesta tabela: (1) pedras e pedras, (2) cascalho, (3) areia, (4) lodo e (5) argila. Pedregulhos e pedras podem ser medidos individualmente. As partículas do tamanho de cascalho podem ser medidas individualmente ou por peneiração. As partículas do tamanho de areia são prontamente medidas por peneiração. Uma tela nº 200 é usada para separar partículas de areia de partículas mais finas, como silte e argila. As partículas de silte e argila são separadas pela medição das diferenças em sua taxa de queda em águas paradas.
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Shape. Particle shape is numerically defined in terms of its sphericity and roundness. True sphericity is the ratio of the surface area of a sphere having the same volume as the particle to the surface area of the particle. The practical difficulty of measuring true sphericity has led to an alternate definition of sphericity as the ratio of the diameter of a sphere having the same volume as the particle (i.e., the nominal diameter) to the diameter of a sphere circumscribing the particle. Accordingly, a sphere has a sphericity of 1, whereas all other shapes have a sphericity of less than 1.
Forma. A forma das partículas é definida numericamente em termos de esfericidade e redondeza. Esfericidade verdadeira é a razão entre a área de superfície de uma esfera e o mesmo volume que a partícula para a área de superfície da partícula. A dificuldade prática de medir a esfericidade verdadeira levou a uma definição alternativa de esfericidade como a razão do diâmetro de uma esfera com o mesmo volume que a partícula (isto é, o diâmetro nominal) para o diâmetro de uma esfera que circunscreve a partícula. Por conseguinte, uma esfera tem uma esfericidade de 1, enquanto todas as outras formas têm uma esfericidade inferior a 1.
Roundness is defined as the ratio of the average radius of curvature of the particle edges to the radius of the largest inscribed circle. It refers to the sharpness of the edges of sediment particles and is commonly used as an indicator of particle wear.
A redondeza é definida como a razão entre o raio médio de curvatura das arestas das partículas e o raio do maior círculo inscrito. Refere-se à nitidez das bordas das partículas de sedimentos e é comumente usado como um indicador do desgaste das partículas.
In sediment studies, the shape factor is often used as an indicator of particle shape:
Em estudos de sedimentos, o fator de forma é frequentemente usado como um indicador da forma das partículas:
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c
SF = ________ (ab)1/2 | (13-1) |
in which SF = shape factor and a, b, and c are three orthogonal particle length dimensions. According to Corey [12], a is the longest, b is the intermediate, and c is the shortest length dimension. However, according to McNown and Malaika [34], c is measured in the direction of motion, and a and b are perpendicular to c.
em que SF = fator de forma e a, bec são três dimensões ortogonais do comprimento das partículas. De acordo com Corey [12], a é o maior, b é o intermediário e c é a menor dimensão de comprimento. No entanto, de acordo com McNown e Malaika [34], c é medido na direção do movimento e aeb são perpendiculares a c.
Specific Weight and Specific Gravity. The specific weight of a sediment particle is its weight per unit volume. The specific gravity of a sediment particle is the ratio of its weight to the weight of an equal volume of water. Most sediment particles consist of either quartz or feldspar, which are about 2.65 times heavier than water. Therefore, the specific gravity of sediments is generally considered to be about 2.65. Exceptions are heavy minerals (for instance, magnetite, with specific gravity of 5.18), but these occur rather infrequently.
Peso específico e gravidade específica. O peso específico de uma partícula de sedimento é o seu peso por unidade de volume. A gravidade específica de uma partícula de sedimento é a razão entre seu peso e o peso de um volume igual de água. A maioria das partículas de sedimentos consiste em quartzo ou feldspato, que são 2,65 vezes mais pesados que a água. Portanto, a gravidade específica dos sedimentos é geralmente considerada de cerca de 2,65. Exceções são minerais pesados (por exemplo, magnetita, com gravidade específica de 5,18), mas ocorrem com pouca frequência.
Fall Velocity. The fall velocity of a sediment particle is its terminal rate of settling in still water. Fall velocity is a function of size, shape, and specific weight of the particle, and the specific weight and viscosity of the surrounding water. For spherical particles, the fall velocity (derived from a balance of submerged weight and drag) can be expressed as follows:
Velocidade de queda. A velocidade de queda de uma partícula de sedimento é sua taxa terminal de sedimentação em águas paradas. A velocidade de queda é uma função do tamanho, forma e peso específico da partícula e do peso e viscosidade específicos da água ao redor. Para partículas esféricas, a velocidade de queda (derivada de um equilíbrio de peso submerso e arrasto) pode ser expressa da seguinte maneira:
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4 g ds γs - γ
w = [ ___ ______ ________ ] 1/2 3 CD γ | (13-2) |
in which w = fall velocity, g = gravitational acceleration, ds = particle diameter, CD = drag coefficient (dimensionless), γs = specific weight of sediment particles, and γ = specific weight of water.
em que w = velocidade de queda, g = aceleração gravitacional, ds = diâmetro das partículas, CD = coeficiente de arrasto (sem dimensão), ~s = peso específico das partículas de sedimentos e ~ = peso específico da água.
The drag coefficient is a function of the particle Reynolds number R, defined as follows:
O coeficiente de arrasto é uma função da partícula Reynolds número R, definida da seguinte forma:
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w ds
R = ______ ν | (13-3) |
in which ν = kinematic viscosity of the fluid. For particle Reynolds numbers less than 0.1, the drag coefficient is equal to CD = 24/R. Substituting this value of CD into Eq. 13-2 leads to Stokes' law:
em que v = viscosidade cinemática do fluido. Para números de partículas de Reynolds menores que 0,1, o coeficiente de arrasto é igual a CD = 24 / R. Substituindo esse valor de CD na Eq. 13-2 leva à lei de Stokes:
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g d 2 γs - γ
w = [ _______ ] ( ________ ) 18 ν γ | (13-4) |
For particle Reynolds numbers greater than 0.1, the drag coefficient is still a function of Reynolds number, but the relationship cannot be expressed in analytical form. The relationship of CD versus R for a wide range of particle Reynolds numbers is shown in Fig. 13-1 [38].
Para números de Reynolds de partículas maiores que 0,1, o coeficiente de arrasto ainda é uma função do número de Reynolds, mas o relacionamento não pode ser expresso na forma analítica. A relação de CD versus R para uma ampla gama de números de partículas de Reynolds é mostrada na Fig. 13-1 [38].
Figure 13-1 Drag coefficient versus particle Reynolds number [38]. |
Example 13-1.
Calculate the fall velocity of a spherical quartz particle of diameter ds = 0.1 mm and drag coefficient CD = 40.
Calcule a velocidade de queda de uma partícula esférica de quartzo de diâmetro ds = 0,1 mm e coeficiente de arrasto CD = 40.
Using Eq. 13-2, with γs = 2.65 g/cm3, and γ = 1 g/cm3,
g = 9.81 m/s2, ds = 0.0001 m, the fall velocity is: Usando a Eq. 13-2, com ~s = 2,65 g / cm3 e ~ = 1 g / cm3, g = 9,81 m / s2, ds = 0,0001 m, a velocidade de queda é: w = 0,0073 m / s.
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In many applications, the drag coefficient is not known a priori;
in this case, an iterative solution is warranted.
A particle Reynolds number is assumed, and the drag coefficient is obtained from
Em muitas aplicações, o coeficiente de arrasto não é conhecido a priori; neste caso, uma solução iterativa é garantida. Um número de Reynolds de partícula é assumido, e o coeficiente de arrasto é obtido da Fig. 13-1. Uma velocidade de queda é calculada com a Eq. 13-2 e um número de Reynolds com a Eq. 13-3. A iteração continua até que haja concordância suficiente entre os números de Reynolds assumidos e calculados. O procedimento é ilustrado pelo Exemplo 13-2.
Example 13-2.
Calculate the fall velocity of a spherical quartz particle of diameter
ds = 0.1 mm and water temperature Calcule a velocidade de queda de uma partícula esférica de quartzo de diâmetro ds = 0,1 mm e temperatura da água T = 20 ° C.
Set up an iterate procedure using the following steps: (1)
assume a Reynolds number Rold, (2)
calculate the drag coefficient CD,
(3) calculate the fall velocity Configure um procedimento de iteração usando as seguintes etapas: (1) assuma um número de Reynolds Rold, (2) calcule o CD do coeficiente de arrasto, (3) calcule a velocidade de queda w, (4) calcule o novo número de Reynolds Rnew e (5) ) calcule a diferença ~ entre números antigos e novos de Reynolds. Pare a iteração quando ~ se tornar insignificante, dentro de uma tolerância especificada.
Using ONLINE FALL VELOCITY,
the answer, after 12 iterations, is: Usando a VELOCIDADE DE QUEDA ONLINE, a resposta, após 12 iterações, é: w = 0,00767 m / s. O coeficiente de arrasto CD correspondente = 36,6.
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Standard fall velocity. Since fall velocities vary with fluid temperature and viscosity, two particles of the same size, shape, and specific gravity, falling on two fluids of different viscosity, or in the same fluid at different temperatures, will have different fall velocities. To provide a measure of comparison, the concept of standard fall velocity was developed [23]. The standard fall velocity of a particle is the average rate of fall that it would attain if falling alone in quiescent water of infinite extent at the temperature of 24°C. Likewise, the standard fall diameter of a particle is the diameter of an equivalent sphere having the same standard fall velocity and specific gravity.
Velocidade padrão de queda. Como as velocidades de queda variam com a temperatura e a viscosidade do fluido, duas partículas do mesmo tamanho, forma e gravidade específica, que caem em dois fluidos de viscosidade diferente ou no mesmo fluido em temperaturas diferentes, terão velocidades de queda diferentes. Para fornecer uma medida de comparação, o conceito de velocidade padrão de queda foi desenvolvido [23]. A velocidade padrão de queda de uma partícula é a taxa média de queda que atingiria se caísse sozinha em águas paradas, de extensão infinita, à temperatura de 24 ° C. Da mesma forma, o diâmetro padrão de queda de uma partícula é o diâmetro de uma esfera equivalente com a mesma velocidade de queda padrão e gravidade específica.
Size Distribution of Sediment Deposits
Distribuição por Tamanho dos Depósitos de Sedimentos
An important property of sediment deposits is the size distribution of its individual particles. Particle size distribution is a key to predicting the behavior of a sediment deposit and estimating its specific weight. A sediment sample containing a wide range of particle sizes is well graded, or poorly sorted. Conversely, a sediment sample consisting of particles in a narrow range of particle sizes is poorly graded, or well sorted.
depósitos de sedimentos é a distribuição de tamanho de suas partículas individuais. A distribuição do tamanho de partícula é a chave para prever o comportamento de um depósito de sedimentos e estimar seu peso específico. Uma amostra de sedimentos contendo uma ampla variedade de tamanhos de partículas é bem classificada ou mal classificada. Por outro lado, uma amostra de sedimentos que consiste em partículas em uma faixa estreita de tamanhos de partículas é mal classificada ou bem classificada.
The size distribution of sediments can be measured in several ways. The coarsest fraction can be separated by direct measurement for boulders and cobbles and by sieving for sands and gravels. For most applications involving sediments in the sand size, the visual accumulation (VA) tube is a fast, economical, and accurate method of determining the size distribution of sediment samples. In the VA tube method, the particles start falling from a common source and become stratified according to their relative settling velocities. At a given instant, the particles coming to rest at the bottom of the tube are of a certain sedimentation size, finer than particles that have already settled and coarser than those still remaining in suspension. See [19] for a description of laboratory methods for sediment analysis.
A distribuição de tamanho dos sedimentos pode ser medida de várias maneiras. A fração mais grossa pode ser separada por medição direta de pedras e pedras e peneirando areias e cascalhos. Para a maioria das aplicações que envolvem sedimentos no tamanho da areia, o tubo de acumulação visual (VA) é um método rápido, econômico e preciso de determinar a distribuição do tamanho das amostras de sedimentos. No método do tubo VA, as partículas começam a cair de uma fonte comum e tornam-se estratificadas de acordo com suas velocidades de assentamento relativas. Em um dado instante, as partículas que chegam ao fundo do tubo têm um certo tamanho de sedimentação, mais finas que as partículas que já assentaram e mais grossas do que aquelas que ainda permanecem em suspensão. Veja [19] para uma descrição dos métodos de laboratório para análise de sedimentos.
Specific Weight of Sediment Deposits
Peso Específico dos Depósitos de Sedimentos
The specific weight of a sediment deposit is the dry weight of sedimentary material per unit volume. Due to the voids between sediment particles, the specific weight of a sediment deposit is always less than the specific weight of individual particles. A knowledge of the specific weight of a sediment deposit allows the conversion of sediment weights to sediment volumes and vice versa. In particular, the specific weight of a sediment deposit is useful in studies of reservoir storage depletion by deposition of fluvial sediments.
O peso específico de um depósito de sedimentos é o peso seco de material sedimentar por unidade de volume. Devido aos vazios entre as partículas de sedimentos, o peso específico de um depósito de sedimentos é sempre menor que o peso específico de partículas individuais. Um conhecimento do peso específico de um depósito de sedimentos permite a conversão de pesos de sedimentos em volumes de sedimentos e vice-versa. Em particular, o peso específico de um depósito de sedimentos é útil em estudos de esgotamento do armazenamento de reservatórios por deposição de sedimentos fluviais.
Factors influencing the specific weight of a sediment deposit are: (1) its mechanical composition, (2) the environment in which the deposits are formed, and (3) time. Coarse materials, e.g., boulders, gravel, and coarse sand, are deposited with specific weights very nearly equal to their ultimate value and change very little with time. However, fine materials such as silts and clays may have initial specific weights that are only a fraction of their ultimate value.
Os fatores que influenciam o peso específico de um depósito de sedimentos são: (1) sua composição mecânica, (2) o ambiente em que os depósitos são formados e (3) o tempo. Materiais grosseiros, por exemplo, pedras, cascalho e areia grossa, são depositados com pesos específicos quase iguais ao seu valor final e mudam muito pouco com o tempo. No entanto, materiais finos, como lodos e argilas, podem ter pesos iniciais específicos que são apenas uma fração do seu valor final.
Lane and Koelzer [29] have developed an empirical relationship to account for the variation of the specific weight of sediment deposits in reservoirs with time. Their relationship is:
Lane e Koelzer [29] desenvolveram uma relação empírica para explicar a variação do peso específico dos depósitos de sedimentos em reservatórios com o tempo. O relacionamento deles é:
| W = W1 + B log T | (13-5) |
in which W = specific weight of the deposit after T years; W1 = initial specific weight of the deposit, measured after 1 y of consolidation; and B = a constant. Table 13-2 shows values of W1 and B as a function of sediment size and mode of reservoir operation. For mixed deposits, a weighted average of specific weight is appropriate.
em que W = peso específico do depósito após T anos; W1 = peso específico inicial do depósito, medido após 1 ano de consolidação; e B = uma constante. A Tabela 13-2 mostra os valores de W1 e B em função do tamanho do sedimento e do modo de operação do reservatório. Para depósitos mistos, é adequada uma média ponderada de peso específico.
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Drying or aeration of a sediment deposit helps to accelerate consolidation through removal of the water from the pore spaces. Table 13-3 shows the effect of aeration on the specific weight of sediment deposits for several types of soil mixtures [18].
A secagem ou aeração de um depósito de sedimentos ajuda a acelerar a consolidação através da remoção da água dos espaços porosos. A Tabela 13-3 mostra o efeito da aeração no peso específico dos depósitos de sedimentos para vários tipos de misturas de solo [18].
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Example 13-3.
Calculate the specific weight of a sediment deposit in a reservoir after an elapsed time of 50 y, with the sediment always submerged or nearly submerged.
Assume the following size distribution: sand, 30%; silt, 45%; clay, 25%.
Calcule o peso específico de um depósito de sedimentos em um reservatório após um tempo decorrido de 50 anos, com o sedimento sempre submerso ou quase submerso. Suponha a seguinte distribuição de tamanho: areia, 30%; lodo, 45%; argila, 25%.
Using Table 13-2, the specific weights for the various sizes are: sand, 93 lb/ft3; silt, 74.7 lb/ft3; clay, Usando a Tabela 13-2, os pesos específicos para os vários tamanhos são: areia, 93 lb / ft3; lodo, 74,7 lb / ft3; argila, 57,2 lb / ft3. Portanto, a média ponderada é: W = (93 × 0,30) + (74,7 × 0,45) + (57,2 × 0,25) = 75,8 lb / ft3.
Using ONLINE LANE KOELZER,
the answer for the given data is: Specific weight (total) = 75.8 lb/ft3.
Usando ONLINE LANE KOELZER, a resposta para os dados fornecidos é: Peso específico (total) = 75,8 lb / ft3.
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13.2 PRODUÇÃO DE SEDIMENTOS
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The presence of sediment in streams and rivers has its origin in soil erosion. Erosion encompasses a series of complex and interrelated natural processes that have the effect of loosening and moving away soil and rock materials under the action of water, wind, and other geologic factors. In the long term, the effect of erosion is the denudation of the land surface, i.e., the removal of soil and rock particles from exposed surfaces, their transport to lower elevations, and eventual deposition.
A presença de sedimentos em córregos e rios tem origem na erosão do solo. A erosão abrange uma série de processos naturais complexos e inter-relacionados que têm o efeito de afrouxar e afastar os materiais do solo e das rochas sob a ação da água, vento e outros fatores geológicos. A longo prazo, o efeito da erosão é a desnudação da superfície terrestre, ou seja, a remoção de partículas de solo e rochas de superfícies expostas, seu transporte para elevações mais baixas e eventual deposição.
The rate of landscape denudation can be quantified from a geological perspective. For instance, the number of centimeters of denudation per 1000 y can be used as a measure of the erosive activity of a region. Geologic measures of landscape denudation appear insignificant when compared to the typical timespan of human activity, say 25 to 100 y. However, the quantities of sediment moved may be important when considering the impact that sediment loads have on the operation and design life of reservoirs and hydraulic structures.
A taxa de desnudação da paisagem pode ser quantificada de uma perspectiva geológica. Por exemplo, o número de centímetros de denudação por 1.000 y pode ser usado como uma medida da atividade erosiva de uma região. As medidas geológicas de desnudação da paisagem parecem insignificantes quando comparadas com o período de tempo típico da atividade humana, digamos 25 a 100 anos. No entanto, as quantidades de sedimentos movimentados podem ser importantes ao considerar o impacto que as cargas de sedimentos têm na operação e na vida útil dos reservatórios e estruturas hidráulicas.
At the outset of the study of sediment production, a distinction should be made between the amount of sediment eroded at the source(s) and the amount of sediment delivered to a downstream point. Gross sediment production refers to the amount of sediment eroded and removed from the source(s). Sediment yield refers to the actual delivery of eroded soil particles to a given downstream point. Since eroded particles may be deposited before they reach the downstream point of interest, sediment yield quantities are generally less than gross sediment production quantities. The ratio of sediment yield to gross sediment production is the sediment delivery ratio (SDR).
No início do estudo da produção de sedimentos, deve-se fazer uma distinção entre a quantidade de sedimentos erodidos na (s) fonte (s) e a quantidade de sedimentos entregues a um ponto a jusante. A produção bruta de sedimentos refere-se à quantidade de sedimentos erodidos e removidos da (s) fonte (s). O rendimento de sedimentos refere-se à entrega real de partículas de solo erodidas a um dado ponto a jusante. Como partículas erodidas podem ser depositadas antes de atingirem o ponto de interesse a jusante, as quantidades de produção de sedimentos são geralmente menores que as quantidades brutas de produção de sedimentos. A razão entre o rendimento de sedimentos e a produção bruta de sedimentos é a razão de entrega de sedimentos (SDR).
Gross sediment production is commonly measured in terms of weight of sediment per unit drainage area per unit time-for instance, metric tons per hectare per year, or tons per acre per year. Sediment yield is expressed in terms of weight per unit time past a certain point; for instance, metric tons per day at the catchment outlet.
A produção bruta de sedimentos é geralmente medida em termos de peso de sedimentos por unidade de área de drenagem por unidade de tempo - por exemplo, toneladas métricas por hectare por ano ou toneladas por acre por ano. O rendimento de sedimentos é expresso em termos de peso por unidade de tempo após um determinado ponto; por exemplo, toneladas métricas por dia na saída da bacia hidrográfica.
Normal and Accelerated Erosion
Erosão normal e acelerada
According to the timespan involved, erosion may be classified as: (1) normal, or geologic, and (2) accelerated, or human-induced. Normal erosion has been occurring at variable rates since the first solid materials formed on the surface of the earth. Normal erosion is extremely slow in most places and is largely a function of climate, parent rocks, precipitation, topography, and vegetative cover. Accelerated erosion occurs at a much faster rate than normal, usually through reduction of vegetative cover. Deforestation, overgrazing, overcultivation, urban sprawl, and the systematic destruction of natural vegetation result in accelerated erosion.
De acordo com o período de tempo envolvido, a erosão pode ser classificada como: (1) normal ou geológica e (2) acelerada ou induzida por humanos. A erosão normal vem ocorrendo a taxas variáveis %G​​%@desde os primeiros materiais sólidos formados na superfície da terra. A erosão normal é extremamente lenta na maioria dos lugares e é em grande parte uma função do clima, rochas-mãe, precipitação, topografia e cobertura vegetativa. A erosão acelerada ocorre a uma taxa muito mais rápida que o normal, geralmente através da redução da cobertura vegetativa. O desmatamento, o excesso de pastagem, a cultura excessiva, a expansão urbana e a destruição sistemática da vegetação natural resultam em erosão acelerada.
Sediment Sources
Fontes de sedimentos
According to its source, erosion may be classified as: (1) sheet erosion, (2) rill erosion, (3) gully erosion, and (4) channel erosion. Sheet erosion is the wearing away of a thin layer on the land surface, primarily by overland flow. Rill erosion is the removal of soil by small concentrations of flowing water (rills). Gully erosion is the removal of soil from incipient channels that are large enough so that they cannot be removed by normal cultivation. Channel erosion refers to erosion occurring in stream channels in the form of streambank erosion or streambed degradation. For practical purposes, a distinction is made between upland and channel erosion. Upland erosion is mostly made up of sheet and rill erosion, whereas channel erosion encompasses all other sediment sources, specifically excluding sheet and rill erosion.
De acordo com sua fonte, a erosão pode ser classificada como: (1) erosão de chapas, (2) erosão de ravinas, (3) erosão de ravinas e (4) erosão de canal. A erosão das folhas é o desgaste de uma fina camada na superfície da terra, principalmente pelo fluxo terrestre. A erosão do riacho é a remoção do solo por pequenas concentrações de água corrente (riachos). A erosão de sarjeta é a remoção do solo de canais incipientes que são grandes o suficiente para que não possam ser removidos pelo cultivo normal. A erosão do canal refere-se à erosão que ocorre nos canais do córrego na forma de erosão da margem do rio ou degradação do leito do rio. Para fins práticos, é feita uma distinção entre erosão de terras altas e canais. A erosão do planalto é composta principalmente por erosão de chapas e sulcos, enquanto a erosão de canais abrange todas as outras fontes de sedimentos, excluindo especificamente a erosão de chapas e sulcos.
Upland Erosion and the Universal Soil Loss Equation
Erosão de terras altas e a equação universal da perda de solo
In the United States, the prediction of upland erosion (i.e., sheet and rill erosion) is commonly made by the Universal Soil Loss Equation (USLE), developed by the USDA Agricultural Research Service in cooperation with the USDA Soil Conservation Service (now Natural Resources Conservation Service) and certain state experiment stations.
Nos Estados Unidos, a previsão de erosão de terras altas (ou seja, erosão de chapas e sulcos) é comumente feita pela Equação Universal de Perda de Solo (USLE), desenvolvida pelo Serviço de Pesquisa Agrícola do USDA em cooperação com o Serviço de Conservação do Solo do USDA (agora Recursos Naturais). Conservation Service) e certas estações experimentais estaduais
The universal soil loss equation is [46]:
A equação universal da perda de solo é [46]:
| A = R K L S C P | (13-6) |
in which A = (annual) soil loss due to sheet and rill erosion in tons per acre per year: R = rainfall factor; K = soil erodibility factor; L = slope-length factor; S = slope-gradient factor; C = crop management factor; and P = erosion control practice factor.
em que A = perda de solo (anual) devido à erosão de folhas e sulcos em toneladas por acre por ano: R = fator de precipitação; K = fator de erodibilidade do solo; L = fator de comprimento da inclinação; S = fator de declive-gradiente; C = fator de manejo da cultura; e P = fator de prática de controle de erosão.
Rainfall Factor. When factors other than rainfall are held constant, soil losses from cultivated fields are shown to be directly proportional to the product of the storm's total kinetic energy E and its maximum 30-minute intensity I. The product EI reflects the combined potential of raindrop impact and runoff turbulence to transport dislodged soil particles.
Fator de precipitação. Quando outros fatores além da precipitação são mantidos constantes, as perdas de solo de campos cultivados são diretamente proporcionais ao produto da energia cinética total E da tempestade e à sua intensidade máxima de 30 minutos I. O produto EI reflete o potencial combinado de impacto de gotas de chuva e turbulência do escoamento superficial para transportar partículas desalojadas do solo.
The sum of EI products for a given year is an index of the erosivity of all rainfall for that year. The rainfall factor R is the average value of the series of annual sums of EI products. Values of R applicable to the contiguous United States are shown in Fig. 13-2.
A soma dos produtos EI para um determinado ano é um índice da erosividade de todas as chuvas naquele ano. O fator de precipitação R é o valor médio da série de somas anuais de produtos EI. Os valores de R aplicáveis aos Estados Unidos contíguos são mostrados na Figura 13-2.
Figure 13-2 Rainfall factor R in the Universal Soil Loss Equation [44] (Click -here- to display). |
Soil Erodibility Factor. The soil erodibility factor K is a measure of the resistance of a soil surface to erosion. It is defined as the amount of soil loss (in tons per acre per year) per unit of rainfall factor R from a unit plot. A unit plot is 72.6 ft long, with a uniform lengthwise gradient of 9 percent, in continuous fallow, tilled up and down the slope.
Fator de Erodibilidade do Solo. O fator de erodibilidade do solo K é uma medida da resistência de uma superfície do solo à erosão. É definida como a quantidade de perda de solo (em toneladas por acre por ano) por unidade de fator de precipitação R de uma parcela unitária. Um gráfico de unidade tem 72,6 pés de comprimento, com um gradiente longitudinal uniforme de 9%, em pousio contínuo, cultivado para cima e para baixo na encosta.
Values of K for 23 major soils on which erosion plot studies were conducted since 1930 are listed in Table 13-4. Soil erodibility factors for other soils have been estimated by comparing their characteristics with those of the 23 soils listed in Table 13-4. A method for determining the soil erodibility factor based on soil characteristics has been proposed by Wischmeier et al. [47].
Os valores de K para 23 solos principais nos quais foram realizados estudos de erosão desde 1930 estão listados na Tabela 13-4. Os fatores de erodibilidade do solo para outros solos foram estimados através da comparação de suas características com as dos 23 solos listados na Tabela 13-4. Um método para determinar o fator de erodibilidade do solo com base nas características do solo foi proposto por Wischmeier et al. [47]
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Slope-length and Slope-gradient Factors. The rate of soil erosion by flowing water is a function of slope length (L) and gradient (S). For practical purposes, these two topographic characteristics are combined into a single topographic factor (LS). The topographic factor is defined as the ratio of soil loss from a slope of given length and gradient to the soil loss from the unit plot (of 72.6 ft length and 9 percent gradient). Figure 13-3 shows values of LS as a function of slope length and gradient.
Fatores de comprimento e gradiente de inclinação. A taxa de erosão do solo pela água corrente é uma função do comprimento da inclinação (L) e gradiente (S). Para fins práticos, essas duas características topográficas são combinadas em um único fator topográfico (LS). O fator topográfico é definido como a razão entre a perda de solo de uma inclinação de determinado comprimento e gradiente e a perda de solo da parcela unitária (de 72,6 pés de comprimento e 9% de gradiente). A Figura 13-3 mostra os valores de LS em função do comprimento e gradiente da inclinação.
Figure 13-3 Topographic factor LS in the Universal Soil Loss Equation [44]. |
Crop-management Factor. The crop-management factor C is defined as the ratio of soil loss from a certain combination of vegetative cover and management practice to the soil loss resulting from tilled, continuous fallow. Values of C range from as little as 0.0001 for undisturbed forest land to a maximum of 1.0 for disturbed areas with no vegetation. Values of C for cropland are estimated on a local basis. Table 13-5 shows values of C for permanent pasture, grazed forest land, range, and idle land. Table 13-6 shows values of C for undisturbed forest land.
Fator de manejo de culturas. O fator de manejo da cultura C é definido como a razão entre a perda de solo de uma certa combinação de cobertura vegetal e práticas de manejo e a perda de solo resultante de pousio contínuo e lavrado. Os valores de C variam de tão pouco quanto 0,0001 para terras florestais não perturbadas a um máximo de 1,0 para áreas perturbadas sem vegetação. Os valores de C para as terras cultiváveis são estimados localmente. A Tabela 13-5 mostra os valores de C para pastagens permanentes, áreas de pastagens, áreas de pastagem e áreas ociosas. A Tabela 13-6 mostra os valores de C para terras florestais não perturbadas.
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Erosion Control Practice Factor. The erosion control practice factor P is defined as the ratio of soil loss under a certain erosion-control practice to the soil loss resulting from straight-row farming. Practices for which P have been established are contouring and contour strip-cropping. In contour strip-cropping, strips of sod or meadow are alternated with strips of row crops or small grains. Values of P used for contour strip-cropping are also used for contour-irrigated furrows. Table 13-7 shows values of P for contour-farmed terrace fields.
Fator de Prática de Controle de Erosão. O fator de prática de controle de erosão P é definido como a razão entre a perda de solo sob uma determinada prática de controle de erosão e a perda de solo resultante da agricultura em linha reta. As práticas para as quais o P foi estabelecido são o contorno e o corte de tiras de contorno. No corte de tiras de contorno, tiras de grama ou pastagem são alternadas com tiras de lavouras em linha ou grãos pequenos. Os valores de P usados para o corte de tiras de contorno também são usados para sulcos irrigados por contorno. A Tabela 13-7 mostra os valores de P para os campos com terraço cultivado em contorno.
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Use of the Universal Soil Loss Equation. The USLE computes upland erosion from small watersheds on an average annual basis. It includes the detachment and transport components, but it does not account for the deposition component. Therefore, the USLE cannot be used to compute sediment yield. For example, in a 1000-mi2 drainage basin, only 5 percent of the soil loss computed by the USLE may appear as sediment yield at the basin outlet. The remaining 95 percent is redistributed on uplands or flood plains and does not constitute a net soil loss from the drainage basin.
Uso da Equação Universal de Perda de Solo. O USLE calcula a erosão de terras altas de pequenas bacias hidrográficas em uma média anual. Inclui os componentes de destacamento e transporte, mas não considera o componente de deposição. Portanto, o USLE não pode ser usado para calcular o rendimento de sedimentos. Por exemplo, em uma bacia de drenagem de 1000 mi2, apenas 5% da perda de solo calculada pelo USLE pode aparecer como rendimento de sedimentos na saída da bacia. Os 95% restantes são redistribuídos em terras altas ou planícies aluviais e não constituem uma perda líquida de solo da bacia de drenagem.
Example 13-4.
Assume a 600-ac watershed above a proposed floodwater-retarding structure in Fountain County, Indiana.
Compute the average annual soil loss by the universal soil loss equation for the following conditions: (1) cropland, 280 ac, contour strip-cropped, soil is Fayette silt loam, slopes are 8% and 200 ft long; (2) pasture, 170 ac, 50% canopy cover, 80% ground cover with grass, soil is Fayette silt loam, slopes are 8% and 200 ft long; and (3) forest, 150 ac, soil is Marshall silt loam, 30% tree canopy cover, slopes are 12% and 100 ft long.
Suponha uma bacia hidrográfica de 600 aC acima de uma estrutura proposta para retardar a água da enchente em Fountain County, Indiana. Calcule a perda média anual de solo pela equação universal da perda de solo, para as seguintes condições: (1) terras cultiváveis, 280 aC, contorno cortado por faixas, o solo é Fayette lodo, as inclinações têm 8% e 200 pés de comprimento; (2) pastagem, 170 aC, 50% de cobertura do dossel, 80% de cobertura do solo com grama, o solo é Fayette lodo, as encostas têm 8% e 200 pés de comprimento; e (3) floresta, 150 aC, solo é marga de lodo Marshall, 30% de cobertura de copa de árvores, declives de 12% e 100 pés de comprimento.
From Fig. 13-2: R = 185.
From Table 13-4, K = 0.38.
From Fig. 13-3, LS = 1.4.
The value of C for cropland is obtained from local sources; assume C = 0.12 for this
example.
From Table 13-7, Da Fig. 13-2: R = 185. Na Tabela 13-4, K = 0,38. Na Fig. 13-3, LS = 1,4. O valor de C para terras cultiváveis %G​​%@é obtido de fontes locais; assuma C = 0,12 para este exemplo. Da Tabela 13-7, P = 0,25. Usando a Eq. 13-6: A = 185 × 0,38 × 1,4 × 0,12 × 0,25 = 2,95 toneladas / ac / ano.
R = 185; K = 0.38: LS = 1.4.
From Table 13-5, C = 0.012.
No value of P has been established for pasture; therefore, P = 1.
Using Eq. 13-6: A = 185 × 0.38 × 1.4 × 0.012 × 1.0 = 1.18 tons/ac/y.
R = 185; K = 0,38: LS = 1,4. Da Tabela 13-5, C = 0,012. Nenhum valor de P foi estabelecido para pastagem; portanto, P = 1. Usando a Eq. 13-6: A = 185 × 0,38 × 1,4 × 0,012 × 1,0 = 1,18 toneladas / ac / ano.
R = 185.
From Table 13-4, K = 0.33.
From Fig. 13-3, LS = 1.8.
From Table 13-6. C = 0.006.
No value of P has been established for forest.
Using Eq. 13-6: A = 185 × 0.33 × 1.5 × 0.006 × 1.0 = 0.66 tons/ac/y.
R = 185. Na Tabela 13-4, K = 0,33. Na Fig. 13-3, LS = 1,8. Da Tabela 13-6. C = 0,006. Nenhum valor de P foi estabelecido para a floresta. Usando a Eq. 13-6: A = 185 × 0,33 × 1,5 × 0,006 × 1,0 = 0,66 toneladas / ac / ano.
The total sheet and rill erosion from the 600-ac watershed is (280 × 2.95) + (170 × 1.18) + (150 × 0.66) = 1126 tons/y.
A erosão total da folha e do sulco da bacia hidrográfica de 600 aC é (280 × 2,95) + (170 × 1,18) + (150 × 0,66) = 1126 toneladas / ano.
Using ONLINE USLE2,
the answer for the given data is: Watershed soil loss = 1126.41 tons/y.
Usando o ONLINE USLE2, a resposta para os dados fornecidos é: Perda do solo da bacia hidrográfica = 1126,41 toneladas / ano.
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Channel Erosion
Erosão do canal
Channel erosion includes gully erosion, streambank erosion, streambed degradation, floodplain scour, and other sources of sediment, excluding upland erosion. Gullies are incipient channels in process of development. Gully growth is usually accelerated by severe climatic events, improper land use, or changes in stream base levels. Most of the significant gully activity, in terms of the quantities of sediment produced and delivered to downstream locations, is found in regions of moderate to steep topography having thick soil mantles. The total sediment outflow from gullies is usually less than sheet and rill erosion [33].
A erosão do canal inclui a erosão de barrancos, a erosão das margens dos rios, a degradação dos leitos dos rios, a limpeza das planícies de inundação e outras fontes de sedimentos, excluindo a erosão das terras altas. As voçorocas são canais incipientes no processo de desenvolvimento. O crescimento das ravinas é geralmente acelerado por eventos climáticos graves, uso inadequado da terra ou mudanças nos níveis da base dos riachos. A maior parte da atividade significativa das ravinas, em termos das quantidades de sedimentos produzidos e entregues nos locais a jusante, é encontrada em regiões de topografia moderada a íngreme, com mantos grossos no solo. A vazão total de sedimentos de voçorocas é geralmente menor que a erosão de folhas e sulcos [33].
Streambank erosion and streambed degradation can be significant in certain cases. Changes in channel alignment and/or removal of natural vegetation from stream banks may cause increased bank erosion. Streambed degradation, typically downstream of reservoirs, can also constitute an additional source of sediment (Fig. 13-4).
A erosão da margem do rio e a degradação do leito do rio podem ser significativas em certos casos. Alterações no alinhamento de canais e / ou remoção da vegetação natural das margens do rio podem causar aumento da erosão do banco. A degradação do leito do rio, tipicamente a jusante dos reservatórios, também pode constituir uma fonte adicional de sedimento (Fig. 13-4).
Figure 13-4 Erosion to bedrock downstream of a sediment-retention dam. |
Methods for determining soil loss due to the various types of channel erosion include the following: (1) comparing aerial photographs taken at different times to assess the growth rate of channels, (2) performing river cross-sectional surveys to determine changes in cross-sectional area, (3) assembling historical data to determine the average age and growth rate of channels, and (4) performing field studies to evaluate the annual growth rate of channels.
Os métodos para determinar a perda de solo devido aos vários tipos de erosão de canal incluem o seguinte: (1) comparar fotografias aéreas tiradas em momentos diferentes para avaliar a taxa de crescimento dos canais; (2) realizar levantamentos transversais de rios para determinar mudanças nas área seccional, (3) montagem de dados históricos para determinar a idade média e taxa de crescimento dos canais e (4) realização de estudos de campo para avaliar a taxa de crescimento anual dos canais.
Field surveys can often provide sufficient data to estimate streambank erosion as follows [44]:
As pesquisas de campo geralmente podem fornecer dados suficientes para estimar a erosão das margens dos rios da seguinte forma [44]:
| S = H L R | (13-7) |
in which S = annual volume of streambank erosion; H = average height of bank; L = length of eroded bank, each side of channel if both sides are eroding; and R = annual rate of bank recession (net rate if one side is eroding while the other is depositing).
em que S = volume anual de erosão das margens; H = altura média do banco; L = comprimento do banco corroído, cada lado do canal, se ambos os lados estiverem corroendo; e R = taxa anual de recessão bancária (taxa líquida se um lado estiver corroendo enquanto o outro está depositando).
Streambed degradation can be estimated as follows [44]:
A degradação do leito do rio pode ser estimada da seguinte forma [44]:
| S = W L D | (13-8) |
in which S = annual volume of streambed degradation; W = average bottom width of degrading channel reach; L = length of degrading channel reach; and D = annual rate of streambed degradation.
em que S = volume anual de degradação do leito do rio; W = largura média inferior do alcance do canal degradante; L = comprimento do alcance do canal degradante; e D = taxa anual de degradação do leito do rio.
Accelerated Erosion Due to Strip-mining and Construction Activities
Erosão acelerada devido a atividades de mineração e construção de tiras
Strip-mining and construction activities greatly accelerate erosion rates. For instance, Collier et al. [10] found that a watershed with 10.4 percent of its area strip-mined eroded 76 times more sediment than a similar undisturbed watershed. Wolman and Shick [48] found that sediment concentrations in streams draining construction areas ranged from 3000 to 150,000 ppm, compared to concentrations of 2000 ppm in comparable natural settings. These studies indicate that human-induced land disturbances have a substantial impact on sediment production. With a careful choice of factors, the USLE can be used to compute soil loss from disturbed lands.
As atividades de mineração e construção de tiras aceleram bastante as taxas de erosão. Por exemplo, Collier et al. [10] descobriram que uma bacia hidrográfica com 10,4% de sua área extraída com minas corroeu 76 vezes mais sedimentos do que uma bacia hidrográfica semelhante e não perturbada. Wolman e Shick [48] descobriram que as concentrações de sedimentos nos córregos que drenam as áreas de construção variavam de 3000 a 150.000 ppm, em comparação com concentrações de 2000 ppm em ambientes naturais comparáveis. Esses estudos indicam que distúrbios da terra induzidos pelo homem têm um impacto substancial na produção de sedimentos. Com uma cuidadosa escolha de fatores, o USLE pode ser usado para calcular a perda de solo de terras perturbadas.
Sediment Yield
Rendimento de sedimentos
In engineering applications, the quantity of sediment eroded at the sources is not as important as the quantity of sediment delivered to a downstream point, i.e., the sediment yield.
Em aplicações de engenharia, a quantidade de sedimento erodido nas fontes não é tão importante quanto a quantidade de sedimento entregue a um ponto a jusante, isto é, o rendimento do sedimento.
The sediment yield is calculated by multiplying the gross sediment production, which includes all types of erosion (sheet, rill, gully, and channel erosion) by a sediment delivery ratio that varies in the range 0 to 1 (it can also be expressed as a percentage). Therefore, a calculation of sediment yield hinges upon an estimate of gross sediment production (from the various sources) and an appropriate sediment delivery ratio.
O rendimento de sedimentos é calculado multiplicando a produção bruta de sedimentos, que inclui todos os tipos de erosão (folha, riacho, barranco e erosão de canal) por uma taxa de entrega de sedimentos que varia no intervalo de 0 a 1 (também pode ser expressa como uma percentagem). Portanto, um cálculo da produção de sedimentos depende de uma estimativa da produção bruta de sedimentos (a partir de várias fontes) e uma proporção apropriada de entrega de sedimentos.
Sediment Delivery Ratio
Proporção de entrega de sedimentos
The sediment delivery ratio (SDR) is a function of the following factors: (1) sediment source, (2) proximity of sediment source to the fluvial transport system, (3) density and condition of the fluvial transport system, (4) sediment size and texture, and (5) catchment characteristics.
A taxa de entrega de sedimentos (SDR) é uma função dos seguintes fatores: (1) fonte de sedimentos, (2) proximidade da fonte de sedimentos ao sistema de transporte fluvial, (3) densidade e condição do sistema de transporte fluvial, (4) sedimentos tamanho e textura e (5) características da bacia hidrográfica.
The sediment source has an influence on the delivery ratio. Not all sediments originating in sheet and rill erosion are likely to enter the fluvial transport system; however, sediments produced by channel erosion are generally closer to the transport system and are more likely to be delivered to downstream points. The proximity of the sediment source to the transport system is also an important variable in the estimation of the SDR. The amounts of sediment delivered to downstream points will depend to a large extent on the ability of the fluvial transport system to entrain and hold on to the sediment particles. Silt and clay particles can be transported much more readily than sand particles; therefore, the delivery of silts and clays is more likely to occur than that of sands. Catchment characteristics also affect sediment delivery ratios. High relief often indicates both a high erosion rate and a high SDR. High channel density is usually an indication of an efficient transport system and, consequently, of a high SDR.
A fonte de sedimentos influencia a taxa de entrega. É provável que nem todos os sedimentos originários da erosão de chapas e sulcos entrem no sistema de transporte fluvial; no entanto, os sedimentos produzidos pela erosão do canal geralmente estão mais próximos do sistema de transporte e têm maior probabilidade de serem entregues nos pontos a jusante. A proximidade da fonte de sedimentos ao sistema de transporte também é uma variável importante na estimativa do DSE. As quantidades de sedimentos entregues nos pontos a jusante dependerão em grande parte da capacidade do sistema de transporte fluvial de arrastar e reter as partículas de sedimentos. Partículas de lodo e argila podem ser transportadas com muito mais facilidade do que partículas de areia; portanto, é mais provável que a entrega de lodos e argilas ocorra do que a das areias. As características de captação também afetam as taxas de entrega de sedimentos. O alto relevo geralmente indica uma alta taxa de erosão e um alto SDR. A alta densidade de canais geralmente é uma indicação de um sistema de transporte eficiente e, consequentemente, de um alto SDR.
Estimation of Sediment Delivery Ratios. The SDR is the ratio of sediment yield to gross sediment production. Sediment yield can be evaluated by one of several methods. At reservoir locations, estimates of sediment yield can be obtained by reservoir sedimentation surveys. Alternatively, sediment yield can be evaluated by direct measurement of sediment load at the point of interest. Estimates of gross sediment production from upland sources can be obtained using either the USLE formula or a regionally derived formula for sheet and rill erosion. When warranted, this estimate can be augmented by field estimates of gully and channel erosion.
Estimativa das taxas de entrega de sedimentos. O SDR é a razão entre a produção de sedimentos e a produção bruta de sedimentos. O rendimento de sedimentos pode ser avaliado por um dos vários métodos. Nos locais dos reservatórios, estimativas de produção de sedimentos podem ser obtidas por pesquisas de sedimentação de reservatórios. Alternativamente, o rendimento de sedimentos pode ser avaliado por medição direta da carga de sedimentos no ponto de interesse. As estimativas da produção bruta de sedimentos de fontes de terras altas podem ser obtidas usando a fórmula USLE ou uma fórmula derivada regionalmente para erosão de chapas e sulcos. Quando justificada, essa estimativa pode ser aumentada por estimativas de campo de ravinas e erosão de canal.
In the absence of actual measurements, statistical analysis can be used to develop regional regression equations to predict SDR.
The simplest SDR prediction equation is that based solely on drainage area, as shown in Fig. 13-4.
This figure shows that SDR varies approximately in inverse proportion to the 1/5 power of the drainage area.
Other sources, however, have quoted values of this power as low as 1/8 [2].
The fact remains that the greater the drainage area, the smaller the catchment relief and the greater the chances for sediment deposition within the catchment;
consequently, the smaller the catchment's SDR.
Rough estimates of SDR can be obtained from
Na ausência de medições reais, a análise estatística pode ser usada para desenvolver equações de regressão regional para predizer SDR. A equação de previsão mais simples para SDR é aquela baseada apenas na área de drenagem, como mostrado na Fig. 13-4. Esta figura mostra que o SDR varia aproximadamente na proporção inversa à potência 1/5 da área de drenagem. Outras fontes, no entanto, citaram valores desse poder tão baixos quanto 1/8 [2]. O fato é que, quanto maior a área de drenagem, menor o relevo da bacia e maiores as chances de deposição de sedimentos na bacia; consequentemente, quanto menor o DSE da bacia hidrográfica. Estimativas aproximadas de SDR podem ser obtidas na Fig. 13-5, mas recomenda-se cautela para estudos mais refinados.
Figure 13-5 Relationship between sediment-delivery ratio and drainage area [44]. |
An example of the use of statistical analysis for the estimation of sediment delivery ratios is given by Roehl [37]. Using data from the southeast Piedmont region of the United States, he developed the following predictive equation:
Um exemplo do uso da análise estatística para a estimativa das taxas de entrega de sedimentos é dado por Roehl [37]. Usando dados da região sudeste do Piemonte dos Estados Unidos, ele desenvolveu a seguinte equação preditiva:
|
L
SDR = 31,623 (10A )-0.23 (_____) -0.51 B -2.79 R | (13-9) |
in which SDR = sediment-delivery ratio, in percentage; A = drainage area, in square miles; L/R = dimensionless ratio of catchment length-to-relief (length measured parallel to main drainageway, relief measured as the elevation difference between drainage divide and outlet); and B = weighted mean bifurcation ratio, defined as the ratio of the number of streams in a given order to the number of streams in the next higher order. Values of SDR measured by Roehl in the Piedmont area were in the range 3.7 to 59.4 percent.
em que SDR = razão de entrega de sedimentos, em porcentagem; A = área de drenagem, em milhas quadradas; L / R = razão adimensional do comprimento da captação em relação ao relevo (comprimento medido paralelamente à canaleta de drenagem principal, relevo medido como a diferença de elevação entre a divisão de drenagem e a saída); e B = taxa de bifurcação média ponderada, definida como a razão entre o número de fluxos em uma determinada ordem e o número de fluxos na próxima ordem superior. Os valores de DSE medidos por Roehl na área de Piemonte estavam na faixa de 3,7 a 59,4%.
Empirical Formulas for Sediment Yield
Fórmulas empíricas para produção de sedimentos
As with the SDRs, statistical analysis can be used to develop regional equations for the prediction of sediment yield. A study by Dendy and Bolton [13] showed that sediment yield can be related to catchment area and mean annual runoff.
Assim como os DSE, a análise estatística pode ser usada para desenvolver equações regionais para a previsão do rendimento de sedimentos. Um estudo de Dendy e Bolton [13] mostrou que a produção de sedimentos pode estar relacionada à área de captação e ao escoamento médio anual.
Sediment Yield versus Drainage Area. Dendy and Bolton studied sedimentation data from about 1500 reservoirs, ponds, and sediment detention basins. In developing their formulas, they used data from about 800 of these reservoirs with drainage areas greater than or equal to 1 mi2. The smaller watersheds (those of drainage area less than 1 mi2) were excluded because of their large variability of sediment yield, reflecting the diverse effects of soils, local terrain, vegetation, land use, and agricultural practices.
Rendimento de sedimentos versus área de drenagem. Dendy e Bolton estudaram dados de sedimentação de cerca de 1500 reservatórios, lagoas e bacias de detenção de sedimentos. No desenvolvimento de suas fórmulas, eles usaram dados de cerca de 800 desses reservatórios com áreas de drenagem maiores ou iguais a 1 mi2. As bacias hidrográficas menores (aquelas com área de drenagem menor que 1 mi2) foram excluídas devido à sua grande variabilidade na produção de sedimentos, refletindo os diversos efeitos do solo, terreno local, vegetação, uso da terra e práticas agrícolas.
For drainage areas between 1 and 30,000 mi2, Dendy and Bolton found that the annual sediment yield per unit area was inversely related to the 0.16 power of the drainage area:
Para áreas de drenagem entre 1 e 30.000 mi2, Dendy e Bolton descobriram que o rendimento anual de sedimentos por unidade de área estava inversamente relacionado ao poder de 0,16 da área de drenagem:
|
S A
____ = (_____) -0.16 SR AR | (13-10) |
in which S = sediment yield in tons per square mile per year; SR = reference sediment yield corresponding to a 1-mi2 drainage area. equal to 1645 tons per year; A = drainage area in square miles; and AR = reference drainage area (1 mi2).
em que S = produção de sedimentos em toneladas por milha quadrada por ano; SR = rendimento de sedimentos de referência correspondente a uma área de drenagem de 1 mi2. igual a 1645 toneladas por ano; A = área de drenagem em milhas quadradas; e AR = área de referência de drenagem (1 mi2).
Sediment Yield versus Mean Annual Runoff. Dendy and Bolton studied sedimentation data from 505 reservoirs having mean annual runoff data. Annual sediment yield per unit area was shown to increase sharply as mean annual runoff Q increased from 0 to 2 in. Thereafter, for mean annual runoff from 2 to 50 in. annual sediment yield per unit area decreased exponentially. This led to the following equations.
Rendimento de sedimentos versus Escoamento Anual Médio. Dendy e Bolton estudaram dados de sedimentação de 505 reservatórios com dados médios de escoamento anual. O rendimento anual de sedimentos por unidade de área demonstrou aumentar acentuadamente à medida que o escoamento médio anual Q aumentou de 0 para 2 pol. Posteriormente, para o escoamento médio anual de 2 para 50 pol. O rendimento anual de sedimentos por unidade de área diminuiu exponencialmente. Isso levou às seguintes equações.
For Q < 2 in.:
|
S
_____ = 1.07 (Q/QR) 0.46 SR | (13-11a) |
For Q ≥ 2 in.:
|
S
_____ = 1.19 e -0.11(Q/QR) SR | (13-11b) |
in which QR = reference mean annual runoff, QR = 2 in.
em que QR = referência média do escoamento anual, QR = 2 pol.
Dendy and Bolton combined Eqs. 13-10 and 13-11 into a set of equations to express sediment yield in terms of drainage area and mean annual runoff.
Dendy e Bolton combinaram as Eqs. 13-10 e 13-11 em um conjunto de equações para expressar a produção de sedimentos em termos de área de drenagem e o escoamento médio anual.
For Q < 2 in.:
|
S Q A
_____ = 1.07 ( ______ ) 0.46 [ 1.43 - 0.26 log ( ______ ) ] SR QR AR | (13-12a) |
For Q ≥ 2 in.:
|
S A
_____ = 1.19e -0.11(Q/QR) [ 1.43 - 0.26 log ( ______ ) ] SR AR | (13-12b) |
For SR = 1645 tons/mi2/y, QR = 2 in., and AR = 1 mi2, Eq. 13-12 reduces to the following:
Para SR = 1645 toneladas / mi2 / a, QR = 2 pol. E AR = 1 mi2, Eq. 13-12 reduz para o seguinte:
For Q < 2 in.:
| S = 1280 Q 0.46 (1.43 - 0.26 log A) | (13-13a) |
For Q ≥ 2 in.:
| S = 1965 e -0.055Q (1.43 - 0.26 log A) | (13-13b) |
Equations 5-12 and 5-13 are based on average values of grouped data; therefore, they should be used with caution. In certain cases, local factors such as soils, geology, topography, land use, and vegetation may have a greater influence on sediment yield than either mean annual runoff or drainage area. Nevertheless, these equations provide a first approximation to the regional assessment of sediment yield for watershed planning purposes.
As equações 5-12 e 5-13 são baseadas em valores médios de dados agrupados; portanto, eles devem ser usados %G​​%@com cautela. Em certos casos, fatores locais como solos, geologia, topografia, uso da terra e vegetação podem ter uma influência maior no rendimento de sedimentos do que o escoamento médio anual ou a área de drenagem. No entanto, essas equações fornecem uma primeira aproximação à avaliação regional da produção de sedimentos para fins de planejamento de bacias hidrográficas.
Example 13-5.
Calculate the sediment yield by the Dendy and Bolton formula for a 150-mi2 watershed with 3.5 in. of mean annual runoff.
Calcule o rendimento de sedimentos pela fórmula de Dendy e Bolton para uma bacia hidrográfica de 150 mi2 com 3,5 pol. De escoamento médio anual.
The application of Eq. l5-13b leads to:
A aplicação da Eq. l5-13b leva a:
Therefore, the sediment yield is 210,123 ton/y.
Portanto, o rendimento de sedimentos é de 210.123 ton / ano.
Using ONLINE DENDY-BOLTON,
the answer for the given data is: Sediment yield = 210,123 tons/y.
Usando ONLINE DENDY-BOLTON, a resposta para os dados fornecidos é: Rendimento do sedimento = 210.123 toneladas / ano.
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Other widely used sediment yield prediction formulas are the modified universal soil loss equation (MUSLE), developed by Williams [45], and the Flaxman formula [17]. Unlike the USLE, which is based on annual values, the MUSLE is intended for use with individual storms. The Flaxman formula was developed using data from the western United States and is therefore particularly applicable to that region.
Outras fórmulas de previsão de rendimento de sedimentos amplamente utilizadas são a equação universal de perda de solo modificada (MUSLE), desenvolvida por Williams [45], e a fórmula de Flaxman [17]. Ao contrário do USLE, que é baseado em valores anuais, o MUSLE é destinado ao uso com tempestades individuais. A fórmula de Flaxman foi desenvolvida usando dados do oeste dos Estados Unidos e, portanto, é particularmente aplicável a essa região.
13.3 TRANSPORTE DE SEDIMENTOS
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Sediment transport refers to the entraInment and movement of sediment by flowing water. An understanding of the principles of sediment transport is essential for the interpretation and solution of many hydraulic, hydrologic, and water resources engineering problems.
O transporte de sedimentos refere-se à entrada e ao movimento dos sedimentos pela água corrente. O entendimento dos princípios do transporte de sedimentos é essencial para a interpretação e solução de muitos problemas de engenharia hidráulica, hidrológica e de recursos hídricos.
The study of sediment transport can be divided into: (1) sediment transport mechanics, (2) sediment transport prediction, and (3) sediment routing. Sediment transport mechanics refers to the fundamental processes by which sediment is entrained and transported by flowing water. Sediment transport prediction refers to the methods and techniques to predict the equilibrium or steady rate of sediment transport in streams and rivers. The prediction of sediment transport is accomplished by means of a sediment transport formula. Sediment routing refers to the nonequilibrium or unsteady sediment transport processes, the net result of which is either the aggradation or degradation of stream and river beds.
O estudo do transporte de sedimentos pode ser dividido em: (1) mecânica de transporte de sedimentos, (2) previsão de transporte de sedimentos e (3) roteamento de sedimentos. A mecânica de transporte de sedimentos se refere aos processos fundamentais pelos quais os sedimentos são arrastados e transportados pela água corrente. A previsão de transporte de sedimentos refere-se aos métodos e técnicas para prever o equilíbrio ou taxa constante de transporte de sedimentos em córregos e rios. A previsão do transporte de sedimentos é realizada por meio de uma fórmula de transporte de sedimentos. O encaminhamento de sedimentos refere-se aos processos de transporte sem equilíbrio ou instáveis, cujo resultado líquido é a degradação ou degradação dos leitos dos riachos e rios.
The description of sediment transport is based on principles of fluid mechanics, river mechanics, and fluvial geomorphology. The energy and turbulence of the flow gives streams and rivers the capacity to entrain and transport sediment. The sediment being transported can originate in either: (a) upland sources or (b) channel sources.
A descrição do transporte de sedimentos é baseada nos princípios da mecânica dos fluidos, mecânica dos rios e geomorfologia fluvial. A energia e a turbulência do fluxo dão aos córregos e rios a capacidade de arrastar e transportar sedimentos. O sedimento que está sendo transportado pode se originar em: (a) fontes de terras altas ou (b) fontes de canais.
A significant feature of sediment transport is the entrainment and transport by the flow of the material constituting the channel bed. Thus, sediment transport serves not only as the means for the movement of sediment from upstream to downstream but also as the mechanism by which streams and rivers determine their own cross-sectional shape and boundary roughness. While the transport of sediment is a fluid mechanics subject, the interaction between flowing stream and its boundary is a river mechanics subject.
Uma característica significativa do transporte de sedimentos é o arrastamento e transporte pelo fluxo do material que constitui o leito do canal. Assim, o transporte de sedimentos serve não apenas como o meio para o movimento de sedimentos a montante e a jusante, mas também como o mecanismo pelo qual córregos e rios determinam sua própria forma de seção transversal e rugosidade dos limites. Enquanto o transporte de sedimentos é um assunto da mecânica dos fluidos, a interação entre a corrente e seus limites é um assunto da mecânica dos rios.
Sediment Transport Mechanics
Mecânica de Transporte de Sedimentos
Sediment load or sediment discharge is the total amount of sediment transported by a stream or river past a given point, expressed in terms of weight per unit time. Based on the predominant mode of transport, sediment load can be classified into: (a) bed load and (b) suspended load. Bed load is the fraction of sediment load that moves by saltation and rolling along the channel bed, primarily by action of bottom shear stresses caused by vertical velocity gradients. Suspended load is the fraction of sediment load that moves in suspension by the action of turbulence. Particles transported as bed load are coarser than particles transported as suspended load. However, the distinction between bed load and suspended load is not all-exclusive; some particles may move as bed load at one point, as suspended load at another, and vice versa.
A carga ou descarga de sedimentos é a quantidade total de sedimentos transportados por um córrego ou rio após um determinado ponto, expressa em termos de peso por unidade de tempo. Com base no modo de transporte predominante, a carga de sedimentos pode ser classificada em: (a) carga no leito e (b) carga suspensa. A carga do leito é a fração da carga de sedimentos que se move por saltação e rolagem ao longo do leito do canal, principalmente pela ação de tensões de cisalhamento do fundo causadas por gradientes de velocidade vertical. Carga suspensa é a fração da carga de sedimentos que se move em suspensão pela ação da turbulência. Partículas transportadas como carga no leito são mais grossas do que partículas transportadas como carga suspensa. No entanto, a distinção entre carga no leito e carga suspensa não é totalmente exclusiva; algumas partículas podem se mover como carga do leito em um ponto, como carga suspensa em outro e vice-versa.
Based on whether the particle sizes are represented in the channel bed, sediment load can be classified into: (a) bed-material load and (b) fine-material load. Bed-material load is the fraction of sediment load whose particle sizes are significantly represented in the channel bed. Conversely, fine-material load (commonly referred to as wash load) is the fraction of sediment load whose particle sizes are not significantly represented in the channel bed. Stated in other terms, bed-material load is the coarser fraction of sediment load that may have originated in the channel bed and that may be subject to deposition under certain flow conditions. Wash load is the finer fraction of sediment load that has not originated in the channel bed and that is not likely to deposit. Wash load is then, washed through the reach, largely unaffected by the hydraulics of the flow.
Com base na representação dos tamanhos das partículas no leito do canal, a carga de sedimentos pode ser classificada em: (a) carga de material do leito e (b) carga de material fino. A carga de material do leito é a fração da carga de sedimentos cujos tamanhos de partícula são significativamente representados no leito do canal. Por outro lado, a carga de material fino (geralmente chamada de carga de lavagem) é a fração da carga de sedimentos cujos tamanhos de partícula não são significativamente representados no leito do canal. Em outros termos, a carga de material do leito é a fração mais grosseira da carga de sedimentos que pode ter se originado no leito do canal e que pode estar sujeita a deposição sob certas condições de fluxo. A carga de lavagem é a fração mais fina da carga de sedimentos que não se originou no leito do canal e que provavelmente não será depositada. A carga de lavagem é então lavada através do alcance, em grande parte não afetada pela hidráulica do fluxo.
The relationship between the two classifications of sediment load is shown in Fig. 13-6 [11]. This figure shows that the concepts of bed load and wash load are mutually exclusive. The middle overlap is the suspended bed-material load, i.e., the fraction of sediment load that moves in suspended mode and is composed of particle sizes that are represented in the channel bed.
A relação entre as duas classificações da carga de sedimentos é mostrada na Fig. 13-6 [11]. Esta figura mostra que os conceitos de carga no leito e carga de lavagem são mutuamente exclusivos. A sobreposição do meio é a carga suspensa de material do leito, isto é, a fração da carga de sedimentos que se move no modo suspenso e é composta por tamanhos de partículas representados no leito do canal.
Figure 13-6 Relationship between the two classifications of sediment load [11]. |
Initiation of Motion. Water flowing over a streambed has a marked vertical velocity gradient near the streambed. This velocity gradient exerts a shear stress on the particles lying on the streambed, i.e., a bottom shear stress. For wide channels, the bottom shear stress can be approximated by the following formula [5]:
Iniciação do movimento. A água que flui sobre um leito de rio tem um gradiente de velocidade vertical marcado próximo ao leito do rio. Este gradiente de velocidade exerce uma tensão de cisalhamento nas partículas localizadas no leito do fluxo, isto é, uma tensão de cisalhamento inferior. Para canais amplos, a tensão de cisalhamento inferior pode ser aproximada pela seguinte fórmula [5]:
| τo = γ d So | (13-14) |
in which τo = bottom shear stress; γ = specific weight of water; d = flow depth; and So = equilibrium or energy slope.
em que ~o = tensão de cisalhamento do fundo; ~ = peso específico da água; d = profundidade do fluxo; e So = equilíbrio ou inclinação da energia.
There is a threshold value of bottom shear stress above which the particles actually begin to move. This threshold value is referred to as critical bottom shear stress, or critical tractive stress. Determinations of critical tractive stress for given flow and sediment conditions are largely empirical in nature. The Shields curve, shown in Fig. 13-7, represents the earliest attempt to combine theoretical and empirical approaches to estimate critical tractive stress [2]. The Shields curve depicts the threshold of motion, i.e., the condition separating motion (above the curve) from no motion (below the curve) [39].
Há um valor limiar de tensão de cisalhamento inferior acima do qual as partículas realmente começam a se mover. Esse valor limite é chamado de tensão crítica de cisalhamento do fundo ou tensão de tração crítica. As determinações do estresse de tração crítico para determinadas condições de fluxo e sedimentos são de natureza amplamente empírica. A curva de Shields, mostrada na Fig. 13-7, representa a primeira tentativa de combinar abordagens teóricas e empíricas para estimar o estresse de tração crítico [2]. A curva Shields representa o limiar do movimento, ou seja, a condição que separa o movimento (acima da curva) de nenhum movimento (abaixo da curva) [39].
Figure 13-7 Shields diagram for initiation of motion [2]. |
The abscissa in the Shields diagram is the boundary Reynolds number, defined as:
A abscissa no diagrama Shields é o número de Reynolds de limite, definido como:
|
U *ds
R* = _______ ν | (13-15) |
in which R* = boundary Reynolds number; U* = shear velocity; ds = mean particle diameter; and v = kinematic viscosity of water. The shear velocity is defined as follows:
em que R * = número limite de Reynolds; U * = velocidade de cisalhamento; ds = diâmetro médio das partículas; e v = viscosidade cinemática da água. A velocidade de cisalhamento é definida da seguinte forma:
|
τo
U* = (____)1/2 ρ | (13-16) |
in which ρ = density of water. The ordinate in the Shields diagram is the dimensionless tractive stress, defined as follows:
em que ~ = densidade da água. A ordenada no diagrama Shields é a tensão de tração sem dimensão, definida da seguinte maneira:
|
τo
τ* = ____________ (γs - γ) ds | (13-17) |
in which τ* = dimensionless tractive stress.
em que ~ * = tensão de tração sem dimensão.
The Shields diagram indicates that, within a midrange of boundary Reynolds numbers (approximately 2-200), the dimensionless critical tractive stress can be taken as a constant for practical purposes. Therefore, within this range, the critical tractive stress is proportional to the sediment particle size. For instance, assuming a value of dimensionless critical tractive stress τ* = 0.04 (from the Shields diagram, Fig. 13-7), Eq. 13-17 leads to:
O diagrama de Shields indica que, dentro de uma faixa intermediária dos números de Reynolds de limite (aproximadamente 2-200), o estresse de tração crítico sem dimensão pode ser tomado como uma constante para fins práticos. Portanto, dentro dessa faixa, o estresse de tração crítico é proporcional ao tamanho das partículas do sedimento. Por exemplo, assumindo um valor de tensão de tração crítica sem dimensão ~ * = 0,04 (do diagrama de Shields, Fig. 13-7), Eq. 13-17 leva a:
| τc = 0.04 (γs - γ) ds | (13-18) |
in which τc = critical tractive stress. For quartz particles (γs = 2.65 × 62.4 lb/ft3), Eq. 13-18 reduces to:
em que ~c = estresse de tração crítico. Para partículas de quartzo (~s = 2,65 × 62,4 lb / ft3), a Eq. 13-18 reduz para:
| τc = 0.34 ds | (13-19) |
in which critical tractive stress is given in pounds per square foot and particle diameter in inches. Extensive experimental studies by Lane [30] have shown that the coefficient in Eq. 13-19 is around 0.5. Lane, however, used the d75 particle size (i.e., the diameter for which 75% by weight is finer) instead of the mean diameter (d50) used by Shields.
em que a tensão de tração crítica é dada em libras por pé quadrado e o diâmetro das partículas em polegadas. Estudos experimentais extensivos de Lane [30] mostraram que o coeficiente na Eq. 13-19 é cerca de 0,5. Lane, no entanto, usou o tamanho de partícula d75 (isto é, o diâmetro para o qual 75% em peso é mais fino) em vez do diâmetro médio (d50) usado por Shields.
Example 13-6.
Based on the Shields criterion for initiation of motion, determine whether a 3-mm diameter quartz particle is at rest or moving under the action of a 7-ft flow depth with channel slope S0 = 0.0001.
Assume water temperature 70°F.
Com base no critério de Shields para o início do movimento, determine se uma partícula de quartzo de 3 mm de diâmetro está em repouso ou se move sob a ação de uma profundidade de fluxo de 7 pés com a inclinação do canal S0 = 0,0001. Suponha a temperatura da água 70 ° F.
From Eq. 13-14, the bottom shear stress is: τo = 62.4 × 7 × 0.0001 = 0.0437 lb/ft2.
Da Eq. 13-14, a tensão de cisalhamento inferior é: ~o = 62,4 × 7 × 0,0001 = 0,0437 lb / ft2.
From Eq. 13-17, the dimensionless tractive stress is: τ* = 0.0437/ [(2.65 - 1.0) ×
62.4 × 3 / (25.4 × 12)] = 0.0431.
Da Eq. 13-17, o estresse de tração sem dimensão é: ~ * = 0,0437 / [(2,65 - 1,0) × 62,4 × 3 / (25,4 × 12)] = 0,0431.
From Eq. 13-16, the shear velocity is: U* = (0.0437 / 1.94)1/2 = 0.15 ft/s.
Da Eq. 13-16, a velocidade de cisalhamento é: U * = (0,0437 / 1,94) 1/2 = 0,15 pés / s.
From Table A-2, the kinematic viscosity is: 1.058 x 10-5 ft2/ s.
Na Tabela A-2, a viscosidade cinemática é: 1,058 x 10-5 pés2 / s.
From Eq. 13-15, the boundary Reynolds number is: R* = 0.15 × [3 / (25.4 × 12)] / (1.058 × 10-5) = 140.
Da Eq. 13-15, o número limite de Reynolds é: R * = 0,15 × [3 / (25,4 × 12)] / (1,058 × 10-5) = 140.
For R* = 140, the dimensionless critical tractive stress is obtained from the Shields curve (Fig. 13-7): τ*c= 0.048.
Para R * = 140, a tensão de tração crítica sem dimensão é obtida a partir da curva de Shields (Fig. 13-7): ~ * c = 0,048.
Since τ* = 0.0431 is less than τ*c = 0.048, it is concluded that the particle is at rest.
Como ~ * = 0,0431 é menor que ~ * c = 0,048, conclui-se que a partícula está em repouso.
Using ONLINE SHIELDS,
the answer for the given data is: No movement. The particle is at rest.
Usando ESCUDOS ONLINE, a resposta para os dados fornecidos é: Sem movimento. A partícula está em repouso.
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Forms of Bed Roughness. Streams and rivers create their own geometry. In particular, alluvial rivers determine to a large extent their cross-sectional shape and boundary friction as a function of the prevailing water and sediment discharge. An inherent property of river flows is their tendency to minimize changes in stage caused by changes in discharge. This is accomplished through a continuous adjustment in boundary friction in such a way that high values of friction prevail during low flows, while low values of friction prevail during high flows [27].
Formas de rugosidade da cama. Córregos e rios criam sua própria geometria. Em particular, os rios aluviais determinam, em grande parte, sua forma transversal e atrito de fronteira em função da descarga predominante de água e sedimentos. Uma propriedade inerente aos fluxos do rio é sua tendência a minimizar mudanças no estágio causadas por mudanças na vazão. Isso é realizado através de um ajuste contínuo no atrito de contorno, de modo que altos valores de atrito prevaleçam durante fluxos baixos, enquanto baixos valores de atrito prevalecem durante fluxos altos [27].
Bed forms are three-dimensional configurations of bed material, which are formed in streambeds by the action of flowing water. Adjustments in boundary friction are made possible by the existence of these bed forms, which develop during low flows (lower flow regime) only to be obliterated during high flows (upper flow regime) [40]. Boundary friction consists of two parts: (1) grain roughness and (2) form roughness. Grain roughness is a function of particle size; form roughness is a function of size and extent of bed forms. Grain roughness is essentially a constant when compared to the variation in form roughness that can be attributed to bed forms.
As formas de leito são configurações tridimensionais do material do leito, que são formadas em leitos de rios pela ação da água corrente. Ajustes no atrito de contorno são possíveis pela existência dessas formas de leito, que se desenvolvem durante vazões baixas (regime de vazão mais baixa), para serem obliteradas durante vazões altas (regime de vazão superior) [40]. O atrito de limite consiste em duas partes: (1) rugosidade dos grãos e (2) rugosidade do formulário. A rugosidade dos grãos é uma função do tamanho das partículas; a rugosidade do formulário é uma função do tamanho e extensão das formas do leito. A rugosidade do grão é essencialmente uma constante quando comparada à variação na rugosidade do formulário que pode ser atribuída às formas do leito.
Studies have shown that several forms of bed roughness can exist on river bottoms, depending on the energy and bed-material transport capacity of the flow. In the absence of sediment movement, the bed configuration is that of plane bed with no sediment motion. With sediment movement, the following forms of bed roughness have been identified: (a) ripples, (b) dunes and superposed ripples, (c) dunes, (d) washed-out dunes or transition, (e) plane bed with sediment motion, (f) antidune standing waves, (g) antidune breaking waves, and (h) chutes and pools. Sketches of these bed configurations are shown in Fig. 13-8 [40].
Estudos têm mostrado que várias formas de rugosidade do leito podem existir no fundo do rio, dependendo da capacidade de transporte de energia e material do leito do fluxo. Na ausência de movimento de sedimentos, a configuração do leito é a de leito plano sem movimento de sedimentos. Com o movimento de sedimentos, foram identificadas as seguintes formas de rugosidade do leito: (a) ondulações, (b) dunas e ondulações sobrepostas, (c) dunas, (d) dunas ou transição desbotadas, (e) leito plano com movimento de sedimentos , (f) ondas estacionárias antidunes, (g) ondas antidunes de quebra e (h) calhas e piscinas. Os esboços dessas configurações de leito são mostrados na Fig. 13-8 [40].
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Figure 13-8 Forms of bed roughness in alluvial channels [40].
The occurrence of different forms of bed roughness can be shown to be related to the median fall diameter of the particles forming the bed and to the stream power of the flow.
Stream power is defined as the product of bottom shear stress and mean velocity.
Such a relationship is shown in
A ocorrência de diferentes formas de rugosidade do leito pode estar relacionada ao diâmetro médio das quedas das partículas que formam o leito e à potência da corrente do fluxo. A potência da corrente é definida como o produto da tensão de cisalhamento do fundo e da velocidade média. Essa relação é mostrada na Fig. 13-9. Para valores baixos de potência do fluxo, ou seja, abaixo do estresse de tração crítico, não há transporte de carga no leito e o leito do fluxo permanece essencialmente plano. Esta é a condição da cama plana sem movimento de sedimentos. Um aumento na potência do fluxo leva primeiro a ondulações, depois a dunas com ondulações sobrepostas e, posteriormente, a dunas. Ondulações, no entanto, são uma ocorrência rara para sedimentos mais grossos que 0,6 mm. As dunas são mais longas e maiores que as ondulações e ocorrem em velocidades de fluxo e cargas de sedimentos geralmente maiores que as das ondulações.
The plane bed with sediment motion represents the condition at which the flow's stream power is large enough to obliterate the dunes, essentially eliminating the form roughness. The plane bed, then, represents the condition of minimum boundary friction. For high values of stream power, antidunes (upper regime) form in conjunction with surface waves, with the tendency for upstream movement, usually under supercritical flow conditions. For even higher values of stream power, e.g., in very steep streams, the bed configuration resembles a sequence of chutes and pools [40].
O leito plano com movimento de sedimentos representa a condição na qual a potência da corrente do fluxo é grande o suficiente para obliterar as dunas, eliminando essencialmente a rugosidade da forma. A cama plana, então, representa a condição de atrito de limite mínimo. Para altos valores de potência do fluxo, os antídunes (regime superior) se formam em conjunto com as ondas da superfície, com tendência para o movimento a montante, geralmente sob condições de fluxo super-crítico. Para valores ainda mais altos de potência do fluxo, por exemplo, em fluxos muito íngremes, a configuração do leito se assemelha a uma sequência de rampas e piscinas [40].
Figure 13-9 Form of bed roughness versus stream power |
The assessment of bedform type has practical implications for engineering hydrology. Bedforms determine boundary roughness; in turn, boundary roughness determines river stages. For instance, ripples are associated with values of Manning n in the range 0.018 to 0.030, with form roughness usually a fraction of grain roughness. Dunes, however, are associated with n values in the range 0.020 to 0.040, with form roughness of the same order as grain roughness. Moreover, plane bed with sediment motion is associated with relatively low n values, in the range 0.012 to 0.015, and in this case, form roughness is minimal.
A avaliação do tipo de forma de cama tem implicações práticas para a hidrologia da engenharia. Formas de cama determinam a rugosidade dos limites; por sua vez, a rugosidade dos limites determina os estágios do rio. Por exemplo, ondulações estão associadas a valores de Manning n na faixa de 0,018 a 0,030, com a rugosidade do formulário geralmente uma fração da rugosidade do grão. As dunas, no entanto, estão associadas a valores n na faixa de 0,020 a 0,040, com rugosidade da forma da mesma ordem que a rugosidade dos grãos. Além disso, o leito plano com movimento de sedimentos está associado a valores relativamente baixos de n, na faixa de 0,012 a 0,015 e, nesse caso, a rugosidade da forma é mínima.
The proper assessment of boundary friction, including its variation as the flow changes from lower regime (ripples, ripples on dunes, and dunes) to upper regime (plane bed with sediment movement, antidunes, and chutes and pools) is an important subject in engineering hydrology and fluvial hydraulics.
A avaliação adequada do atrito de fronteira, incluindo sua variação conforme o fluxo muda do regime inferior (ondulações, ondulações nas dunas e dunas) para o regime superior (leito plano com movimento de sedimentos, antídunas e rampas e piscinas) é um assunto importante na engenharia hidrologia e hidráulica fluvial.
Concentration of Suspended Sediment. For a given volume of water-sediment mixture, the suspended-sediment concentration is the ratio of the weight of dry sediment to the weight of the water-sediment mixture, expressed in parts per million. To convert the concentration in ppm to milligrams per liter (mg/ L), the applicable factor ranges from 1.0 for concentrations between 0 and 15,900 ppm, to 1.5 for concentrations between 529,000 and 542,000 ppm, as shown in Table 13-8.
Concentração de sedimentos suspensos. Para um dado volume de mistura água-sedimento, a concentração de sedimentos em suspensão é a razão entre o peso do sedimento seco e o peso da mistura água-sedimento, expresso em partes por milhão. Para converter a concentração em ppm em miligramas por litro (mg / L), o fator aplicável varia de 1,0 para concentrações entre 0 e 15.900 ppm, e 1,5 para concentrações entre 529.000 e 542.000 ppm, conforme mostrado na Tabela 13-8.
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The suspended-sediment concentration varies with the flow depth, usually being higher near the stream bed and lower near the water surface. The coarsest sediment fractions, typically those in the sand size, exhibit the greatest variation in concentration with flow depth. The finer fractions, i.e., silt and clay particles, show a tendency for a nearly uniform distribution of suspended-sediment concentration with flow depth.
A concentração de sedimentos em suspensão varia com a profundidade do fluxo, geralmente sendo mais alta perto do leito do rio e mais baixa perto da superfície da água. As frações mais grosseiras de sedimentos, tipicamente aquelas do tamanho da areia, exibem a maior variação na concentração com a profundidade do fluxo. As frações mais finas, isto é, partículas de silte e argila, mostram uma tendência para uma distribuição quase uniforme da concentração de sedimentos em suspensão com a profundidade do fluxo.
Figure 13-10 shows the variation of suspended-sediment concentration along the flow depth. In this figure, y is the fraction of flow depth measured from the channel bottom, a is the reference distance measured from the channel bottom, and d is the flow depth. The abscissas show the dimensionless ratio C/Ca, in which Ca is the sediment concentration at the reference distance and C is the sediment concentration at a distance (y - a). The value of a is small compared to d. The plot of Fig. 13-10 is specifically for the case of a/d = 0.05. The ordinates show the dimensionless ratio (y - a)/(d - a). The curve parameter z is the Rouse number, defined as follows:
A Figura 13-10 mostra a variação da concentração de sedimentos em suspensão ao longo da profundidade do fluxo. Nesta figura, y é a fração da profundidade do fluxo medida a partir do fundo do canal, a é a distância de referência medida a partir do fundo do canal ed é a profundidade do fluxo. As abscissas mostram a razão adimensional C / Ca, na qual Ca é a concentração de sedimentos na distância de referência e C é a concentração de sedimentos à distância (y - a). O valor de a é pequeno comparado a d. O gráfico da Fig. 13-10 é especificamente para o caso de a / d = 0,05. As ordenadas mostram a proporção adimensional (y - a) / (d - a). O parâmetro de curva z é o número de Rouse, definido da seguinte forma:
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w
z = _________ β κ U* | (13-20) |
in which z = Rouse number (dimensionless); w = fall velocity of sediment particles; β = a coefficient relating mass and momentum transfer (β ≅ 1 for fine sediments); κ = von Karman's constant (κ = 0.4 for clear fluids); and U* = shear velocity, Eq. 13-16. From Fig. 13-10, it is seen that for high Rouse numbers the variation of suspended sediment concentration along the flow depth is quite marked. Conversely, for low Rouse numbers there is a tendency for greater uniformity of suspended-sediment concentration along the flow depth.
em que z = número do despertador (sem dimensão); w = velocidade de queda de partículas de sedimentos; ~ = coeficiente de transferência de massa e momento (~ %G~‰…%@ 1 para sedimentos finos); k = constante de von Karman (k = 0,4 para fluidos claros); e U * = velocidade de cisalhamento, Eq. 13-16. Da Figura 13-10, é visto que, para números altos de Rouse, a variação da concentração de sedimentos em suspensão ao longo da profundidade do fluxo é bastante acentuada. Por outro lado, para números baixos de Rouse, há uma tendência para maior uniformidade da concentração de sedimentos em suspensão ao longo da profundidade do fluxo.
Figure 13-10 Variation of suspended sediment concentration along the flow depth [2]. |
Sediment Transport Prediction
Previsão de Transporte de Sedimentos
Sediment load, sediment discharge, and sediment transport rate are synonymous in practice. However, bed load, suspended bed-material load, and wash load are mutually exclusive. Sediment transport prediction refers to the estimation of sediment transport rates under equilibrium (i.e., steady uniform) flow conditions.
Carga de sedimentos, descarga de sedimentos e taxa de transporte de sedimentos são sinônimos na prática. No entanto, a carga do leito, a carga suspensa do material do leito e a carga de lavagem são mutuamente exclusivas. A previsão de transporte de sedimentos refere-se à estimativa das taxas de transporte de sedimentos sob condições de fluxo de equilíbrio (isto é, uniforme constante).
There are numerous formulas for the prediction of sediment transport [2]. Most formulas compute only bed-material load, consisting of bed load and suspended bed-material load. A few compute total sediment load, which consists of bed load, suspended bed-material load, and wash load. Yet some may compute bed load and suspended bed-material load separately. Invariably, sediment transport formulas have some empirical components and, therefore, are most applicable within the range of laboratory and/ or field data used in their development.
Existem inúmeras fórmulas para a previsão do transporte de sedimentos [2]. A maioria das fórmulas calcula apenas a carga do material do leito, consistindo em carga do leito e carga suspensa do material do leito. Alguns calculam a carga total de sedimentos, que consiste em carga no leito, carga suspensa no material do leito e carga de lavagem. No entanto, alguns podem calcular a carga do leito e a carga suspensa do material do leito separadamente. Invariavelmente, as fórmulas de transporte de sedimentos possuem alguns componentes empíricos e, portanto, são mais aplicáveis %G​​%@na faixa de dados laboratoriais e / ou de campo utilizados em seu desenvolvimento.
Duboys Formula. The Duboys formula is widely recognized as one of the earliest attempts to develop a sediment transport predictor. The Duboys formula is [14]:
Fórmula de Duboys. A fórmula de Duboys é amplamente reconhecida como uma das primeiras tentativas de desenvolver um preditor de transporte de sedimentos. A fórmula de Duboys é [14]:
| qs = ψD τo ( τo - τc ) | (13-21) |
in which qs = bed-material transport rate per unit of channel width, in pounds per second per foot;
em que qs = taxa de transporte do material do leito por unidade de largura do canal, em libras por segundo por pé; ~D = um parâmetro que é uma função do tamanho de partícula em pés cúbicos por libra por segundo; ~o = tensão de cisalhamento inferior em libras por pé quadrado; e ~c = estresse de tração crítico em libras por pé quadrado. Valores de ~D e tensão de tração crítica para uso na equação de Duboys são mostrados na Fig. 13-11 [3].
Figure 13-11 Values of ψD and τc for use in the Duboys equation [2]. |
Example 13-7.
Given a channel of mean flow depth d = 12 ft, mean width b = 320 ft; equilibrium channel slope So = 0.0001, and median particle size d50 = 0.6 mm, calculate the bed-material transport rate by the Duboys formula.
Dado um canal de profundidade média do fluxo d = 12 pés, largura média b = 320 pés; inclinação do canal de equilíbrio So = 0,0001 e tamanho médio de partícula d50 = 0,6 mm, calcule a taxa de transporte do material do leito pela fórmula de Duboys.
Using Eq. 13-14: τo = 62.4 × 12.0 × 0.0001 = 0.07488 lb/ft2.
Usando a Eq. 13-14: ~o = 62,4 × 12,0 × 0,0001 = 0,07488 lb / ft2.
From Fig. 13-11: ψD = 42 ft3/lb/s.
Na Fig. 13-11: ~D = 42 pés3 / lb / s.
From Fig. 13-11:
Na Fig. 13-11: ~c = 0,025 lb / ft2.
τc = 0.025 lb/ft2.
From Eq. 13-21: qs = 42 × 0.07488 × (0.07488 - 0.025) = 0.157 lb/s/ft.
Da Eq. 13-21: qs = 42 × 0,07488 × (0,07488 - 0,025) = 0,157 lb / s / ft.
Therefore: Qs = qs b = 0.157 × 320 = 50.2 lb/s.
Portanto: Qs = qs b = 0,157 × 320 = 50,2 lb / s
Using ONLINE DUBOYS,
the answer is: Qs = 50.551 lb/s, which is equivalent to 2,183.821 tons/day.
Usando DUBOYS ONLINE, a resposta é: Qs = 50,551 lb / s, o que equivale a 2.183.821 toneladas / dia.
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Meyer-Peter Formula. The development of the Meyer-Peter formula was based on flume data, with uniform bed material size in the range 3 to 28 mm. Such coarse sediments do not produce appreciable bed forms; therefore. the formula is applicable to coarse sediment transport where form roughness is negligible. The Meyer-Peter formula is [2, 35]:
Fórmula de Meyer-Peter. O desenvolvimento da fórmula de Meyer-Peter foi baseado em dados de calha, com tamanho de material de leito uniforme na faixa de 3 a 28 mm. Tais sedimentos grossos não produzem formas apreciáveis de leito; Portanto. a fórmula é aplicável ao transporte aproximado de sedimentos, onde a rugosidade da forma é insignificante. A fórmula de Meyer-Peter é [2, 35]:
| qs = ( 39.25 q 2/3 So - 9.95 d50 ) 3/2 | (13-22) |
in which qs = bed-material transport rate per unit channel width, in pounds per second per foot; q = water discharge per unit channel width, in cubic feet per second per foot; So = equilibrium channel slope; and d50 = median particle size, in feet.
em que qs = taxa de transporte de material do leito por unidade de largura de canal, em libras por segundo por pé; q = vazão de água por unidade de largura de canal, em pés cúbicos por segundo por pé; Então = inclinação do canal de equilíbrio; e d50 = tamanho médio de partícula, em pés.
Example 13-8.
Given a channel of mean flow depth d = 2 ft; mean width b = 25 ft; mean velocity v = 6 fps; channel slope Dado um canal de profundidade média do fluxo d = 2 pés; largura média b = 25 pés; velocidade média v = 6 fps; inclinação do canal So = 0,008; tamanho médio de partícula d50 = 22 mm, calcule a taxa de transporte de material do leito pela fórmula de Meyer-Peter.
The discharge per unit width is: q = vd = 6 x 2 = 12 ft3/s/ft.
A descarga por largura da unidade é: q = vd = 6 x 2 = 12 ft3 / s / ft.
From Eq. 13-22: qs = { ( 39.25 x 12 2/3 x 0.008 ) - [ 9.95 x 22 / (25.4 x 12) ] } 3/2 = 0.894 lb/s/ft.
Da Eq. 13-22: qs = {(39,25 x 12 2/3 x 0,008) - [9,95 x 22 / (25,4 x 12)]} 3/2 = 0,894 lb / s / pés.
Therefore: Qs = qs b = 22.35 lb/s.
Portanto: Qs = qs b = 22,35 lb / s.
Using ONLINE MEYER-PETER,
Usando o ONLINE MEYER-PETER, a resposta é: Qs = 22.337 lb / s, o que equivale a 964.941 toneladas / dia.
the answer is: Qs = 22.337 lb/s, which is equivalent to 964.941 tons/day.
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Einstein Bed-load Function. In 1950, Einstein published a procedure for the computation of bed material transport rate by size fractions [15]. The method was developed based on theoretical considerations of turbulent flow, supported by laboratory and field data. Einstein is credited with the introduction of several novel concepts in sediment transport theory, including the separation of boundary friction into grain and form roughness and the use of statistical properties of turbulence to explain the mechanics of sediment transport.
Função de carga na cama de Einstein. Em 1950, Einstein publicou um procedimento para o cálculo da taxa de transporte de material do leito por frações de tamanho [15]. O método foi desenvolvido com base em considerações teóricas de fluxo turbulento, suportadas por dados laboratoriais e de campo. Einstein é creditado com a introdução de vários conceitos novos na teoria do transporte de sedimentos, incluindo a separação do atrito de contorno em grãos e rugosidade da forma e o uso de propriedades estatísticas da turbulência para explicar a mecânica do transporte de sedimentos.
Einstein's bed-load function first computes the bed-load transport rate. Then it uses the bed-load transport rate to aid in the integration of the product of the suspended sediment concentration profile and the flow velocity profile, to determine the suspended bed-material transport rate, per individual size fraction. Several step-by-step procedures have been reported in the literature [2].
A função de carga da cama de Einstein primeiro calcula a taxa de transporte da carga da cama. Em seguida, ele usa a taxa de transporte de carga do leito para ajudar na integração do produto do perfil de concentração de sedimentos em suspensão e o perfil de velocidade do fluxo, para determinar a taxa de transporte de materiais do leito em suspensão, por fração de tamanho individual. Vários procedimentos passo a passo foram relatados na literatura [2].
Modified Einstein Procedure. The modified Einstein procedure was developed by Colby and Hembree [6] in order to include actual measurements of suspended load into the framework of the original Einstein method. Typically, measurements of suspended load do not include: (a) the bed load, and (b) the fraction of suspended load moving too close to the streambed to be effectively sampled. The modified Einstein procedure calculates the total sediment load by size fractions based on measurements of suspended load and relevant geometric and hydraulic characteristics of the stream or river. Details of the method are reported in the literature [2, 6].
Procedimento de Einstein modificado. O procedimento de Einstein modificado foi desenvolvido por Colby e Hembree [6], a fim de incluir medidas reais de carga suspensa na estrutura do método original de Einstein. Tipicamente, as medições da carga suspensa não incluem: (a) a carga do leito e (b) a fração da carga suspensa se movendo muito perto do leito do rio para ser efetivamente amostrada. O procedimento de Einstein modificado calcula a carga total de sedimentos por frações de tamanho com base em medições de carga suspensa e características geométricas e hidráulicas relevantes do córrego ou rio. Detalhes do método são relatados na literatura [2, 6].
Colby's 1957 Method. Colby's 1957 method is based on some of the same measurements that led to the development of the modified Einstein procedure. However, unlike the latter, it does not account for sediment transport rate by size fractions. Instead, it provides the total bed-material discharge, i.e., the sum of measured and unmeasured bed-material discharges.
Colby's 1957 Method. O método de Colby de 1957 baseia-se em algumas das mesmas medidas que levaram ao desenvolvimento do procedimento de Einstein modificado. No entanto, diferentemente do último, não é responsável pela taxa de transporte de sedimentos por frações de tamanho. Em vez disso, fornece a descarga total do material do leito, isto é, a soma das descargas medidas e não medidas do material do leito.
The following data are needed in an application of the Colby 1957 method: (1) mean flow depth d, (2) mean channel width b, (3) mean velocity v, and (4) measured concentration of suspended bed-material discharge Cm. The procedure is as follows [7]:
Os seguintes dados são necessários em uma aplicação do método de Colby 1957: (1) profundidade média do fluxo d, (2) largura média do canal b, (3) velocidade média v e (4) concentração medida da descarga do material em leito suspenso Cm . O procedimento é o seguinte [7]:
Use Fig. 13-12 to obtain the uncorrected unmeasured sediment discharge qu' (in tons per day per foot of width) as a function of mean velocity.
Use a Fig. 13-12 para obter a descarga de sedimentos não medida não corrigida qu '(em toneladas por dia por pé de largura) como uma função da velocidade média.
Figure 13-12 Uncorrected unmeasured sediment discharge
versus mean velocity in Colby 1957 method [7].Use Fig. 13-13 to obtain the relative concentration of suspended sands Cr (in parts per million) as a function of mean velocity and flow depth.
Use a Fig. 13-13 para obter a concentração relativa de areias suspensas Cr (em partes por milhão) em função da velocidade média e profundidade do fluxo.
Figure 13-13 Relative concentration of suspended sands
versus mean velocity and flow depth
in Colby 1957 method [7].Calculate the availability ratio by dividing the measured concentration of suspended bed-material discharge Cm (ppm) by the relative concentration of suspended sands Cr (ppm).
Calcule a taxa de disponibilidade dividindo a concentração medida da descarga de material em leito em suspensão Cm (ppm) pela concentração relativa de areias em suspensão Cr (ppm).
Use the mean line of Fig. 13-14 and the availability ratio to obtain the correction factor C to be multiplied by the uncorrected unmeasured sediment discharge qu' to obtain the unmeasured sediment discharge qu (in tons per day per foot).
Use a linha média da Fig. 13-14 e a taxa de disponibilidade para obter o fator de correção C a ser multiplicado pela descarga não medida de sedimentos não medidos qu 'para obter a descarga não medida de sedimentos qu' (em toneladas por dia por pé).
Figure 13-14 Correction factor versus availability ratio in Colby 1957 method [7].
The total bed-material discharge qs is the sum of measured and unmeasured sediment discharges:
A descarga total do material do leito qs é a soma das descargas de sedimentos medidas e não medidas:
qs = 0.0027 Cm q + qu (13-23)
in which qs = bed-material discharge in tons per day per foot; q = water discharge in cubic feet per second per foot; Cm = measured concentration of suspended bed-material discharge in milligrams per liter; and 0.0027 is the conversion factor for the indicated units. Table 13-8 shows a factor to convert concentration in parts per million to milligrams per liter.
em que qs = descarga do material do leito em toneladas por dia por pé; q = descarga de água em pés cúbicos por segundo por pé; Cm = concentração medida da descarga do material do leito em suspensão em miligramas por litro; e 0,0027 é o fator de conversão para as unidades indicadas. A Tabela 13-8 mostra um fator para converter a concentração em partes por milhão em miligramas por litro.
Example 13-9.
Given mean flow depth d = 10 ft, mean channel width b = 300 ft, mean velocity v = 3 fps, measured concentration of suspended bed material discharge Cm = 100 ppm, calculate the total bed material discharge by the Colby 1957 method.
Dada a profundidade média do fluxo d = 10 pés, largura média do canal b = 300 pés, velocidade média v = 3 fps, concentração medida da descarga do material do leito em suspensão Cm = 100 ppm, calcule a descarga total do material do leito pelo método de Colby 1957.
From Fig. 13-12 , the uncorrected unmeasured sediment discharge is qu' = 10 ton/d/ft.
Na Figura 13-12, a descarga não medida de sedimentos não corrigida é qu '= 10 ton / d / ft.
From Fig. 13-13, the relative concentration of suspended sands is Cr = 380 ppm.
The availability ratio is: 100/380 = 0.27.
Na Fig. 13-13, a concentração relativa de areias em suspensão é Cr = 380 ppm. A taxa de disponibilidade é: 100/380 = 0,27.
From Fig. 13-14, the correction factor is C = 0.6.
Therefore: qu = 0.6 × 10 = 6 ton/d/ft.
Na Figura 13-14, o fator de correção é C = 0,6. Portanto: qu = 0,6 × 10 = 6 ton / d / ft.
The water discharge per unit width is: q = vd = 3 x 10 = 30 ft3/s/ft.
A descarga de água por largura da unidade é: q = vd = 3 x 10 = 30 ft3 / s / ft.
From Eq. 13-23, the sediment discharge per unit width is: qs = (0.0027 × 100 × 30) + 6 = 14.1 ton/d/ft.
Da Eq. 13-23, a descarga de sedimentos por largura de unidade é: qs = (0,0027 × 100 × 30) + 6 = 14,1 ton / d / ft.
Therefore, the bed-material discharge by the Colby 1957 method is: Qs = qs b = 14.1 × 300 = 4230 ton/d.
Portanto, a descarga do material do leito pelo método de Colby 1957 é: Qs = qs b = 14,1 × 300 = 4230 ton / d.
Using ONLINE COLBY 1957,
Usando o ONLINE COLBY 1957, a resposta é: Qs = 4.231,15 toneladas / dia.
the answer is: Qs = 4,231.15 tons/day.
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Colby's 1964 Method. In 1964, Colby published a method to calculate discharge of sands (i.e., bed-material discharge) in sand-bed streams and rivers. The development of the method was guided by the Einstein bed-load function and supported by large amounts of laboratory and field data. The method has been shown to provide a reasonably good prediction of sediment transport rates, particularly for sand-sized particles.
Colby's 1964 Method. Em 1964, Colby publicou um método para calcular a descarga de areias (isto é, descarga de material de leito) em córregos e rios de leito de areia. O desenvolvimento do método foi orientado pela função de carga no leito de Einstein e apoiado por grandes quantidades de dados laboratoriais e de campo. Demonstrou-se que o método fornece uma previsão razoavelmente boa das taxas de transporte de sedimentos, particularmente para partículas do tamanho de areia.
The following data are needed: (1) mean flow depth d, (2) mean channel width b, (3) mean velocity v, (4) water temperature T, (5) concentration of fine-material load (i.e., wash load) Cw, and (6) median size of bed material d50. The procedure is as follows [8]:
Os seguintes dados são necessários: (1) profundidade média do fluxo d, (2) largura média do canal b, (3) velocidade média v, (4) temperatura da água T, (5) concentração da carga de material fino (ou seja, carga de lavagem ) Cw e (6) tamanho médio do material do leito d50. O procedimento é o seguinte [8]:
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Use Fig. 13-15 to determine the uncorrected discharge of sands qu (in tons per day per foot of width) as a function of mean velocity, flow depth, and sediment size.
Use a Fig. 13-15 para determinar a descarga não corrigida de areias qu (em toneladas por dia por pé de largura) em função da velocidade média, profundidade do fluxo e tamanho do sedimento.
Figure 13-15 Discharge of sands as a function of mean velocity, flow depth and sediment size [9].
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For water temperature of 60°F, negligible wash load concentration (less than 1000 ppm), and sediment size in the range 0.2 to 0.3 mm, no further calculations are required, and qu is the discharge of sands qs.
Para temperatura da água de 60 ° F, concentração insignificante de carga de lavagem (menor que 1000 ppm) e tamanho de sedimentos na faixa de 0,2 a 0,3 mm, não são necessários cálculos adicionais e qu é a descarga de areias qs.
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For conditions other than the preceding, use Fig. 13-16 to obtain the correction factor k1 as a function of flow depth and water temperature, k2 as a function of flow depth and concentration of fine-material load, and k3 as a function of median size of bed material.
Para condições diferentes das anteriores, use a Fig. 13-16 para obter o fator de correção k1 em função da profundidade do fluxo e temperatura da água, k2 em função da profundidade do fluxo e concentração da carga de material fino e k3 em função da tamanho médio do material da cama.
Figure 13-16 Correction factors for water temperature (k1), fine-material-load concentration (k2),
and median size of bed material (k3) [9]. -
The discharge of sands is given by the following formula:
A descarga de areias é dada pela seguinte fórmula:
qs = [ 1 + (k1k2 - 1) k3 ] qu (13-24) in which qs discharge of sands in tons per day per foot.
em que qs descarga de areias em toneladas por dia por pé.
Example 13-10.
Given mean flow depth d = 1 ft, mean channel width b = 30 ft, mean velocity v = 2 fps, water temperature 50°F, wash-load concentration Cw = 10,000 ppm, and median bed-material size d50 = 0.1 mm.
Calculate the discharge of sands by the Colby 1964 method.
Dada a profundidade média do fluxo d = 1 pé, largura média do canal b = 30 pés, velocidade média v = 2 fps, temperatura da água 50 ° F, concentração da carga de lavagem Cw = 10.000 ppm e tamanho médio do material do leito d50 = 0,1 mm. Calcule a descarga de areias pelo método de Colby 1964.
From Fig. 13-14: qu = 9 ton/d/ft.
From Fig. 13-15: k1 = 1.14, k2 = 1.22, k3 = 0.6.
From Eq. 13-24: qs = [ 1 + (1.14 × 1.22 - 1) × 0.6 ] × 9 = 11.11 ton/d/ft.
Therefore, the discharge of sands is: Qs = 11.11 × 30 = 333.3 ton/d.
Using ONLINE COLBY,
the answer is: Qs = 333.31 tons/day.
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Other Methods for the Calculation of Sediment Discharge. Many other methods have been proposed for the calculation of sediment discharge. Notable among them are the methods of Ackers and White [1], Engelund-Hansen [16], Toffaleti [42], and Yang [49]. The various procedures vary in complexity and range of applicability. For details on these and other sediment transport formulas, see [2, 4, 25, 41].
Outros métodos para o cálculo da descarga de sedimentos. Muitos outros métodos foram propostos para o cálculo da descarga de sedimentos. Destacam-se os métodos de Ackers e White [1], Engelund-Hansen [16], Toffaleti [42] e Yang [49]. Os vários procedimentos variam em complexidade e alcance de aplicabilidade. Para detalhes sobre essas e outras fórmulas de transporte de sedimentos, consulte [2, 4, 25, 41].
Figure 13-17
Comparison of various formulas |
Sediment Rating Curves
Curvas de classificação de sedimentos
A useful curve in sediment analysis is the sediment rating curve, defined as the relationship between water discharge and sediment discharge at a given gaging site (Fig. 13-17). For a given water discharge, the sediment rating curve allows the estimation of sediment discharge, assuming steady equilibrium flow conditions.
Uma curva útil na análise de sedimentos é a curva de classificação de sedimentos, definida como a relação entre a descarga de água e a descarga de sedimentos em um determinado local de medição (Fig. 13-17). Para uma determinada descarga de água, a curva de classificação do sedimento permite estimar a descarga do sedimento, assumindo condições de fluxo de equilíbrio constante.
The sediment rating curve is an x-y plot showing water discharge in the abscissas and sediment discharge in the ordinates. This plot is obtained either by the simultaneous measurement of water and sediment discharge or, alternatively, by the use of sediment transport formulas. For low-water discharges, the sediment rating curve usually plots as a straight line on logarithmic paper, showing an increase of sediment concentration with water discharge. However, for high water discharges, the sediment rating curve has a tendency to curve slightly downward, approaching a line of equal sediment concentration (i.e., a line having a 45° slope in the x-y plane) (Fig. 5-18).
A curva de classificação dos sedimentos é um gráfico x-y mostrando a descarga de água nas abscissas e a descarga de sedimentos nas ordenadas. Esse gráfico é obtido pela medição simultânea da descarga de água e de sedimentos ou, alternativamente, pelo uso de fórmulas de transporte de sedimentos. Para descargas com pouca água, a curva de classificação de sedimentos geralmente é plotada como uma linha reta em papel logarítmico, mostrando um aumento da concentração de sedimentos com a descarga de água. No entanto, para altas descargas de água, a curva de classificação de sedimentos tem uma tendência a se curva levemente para baixo, aproximando-se de uma linha de igual concentração de sedimentos (isto é, uma linha com uma inclinação de 45 ° no plano x-y) (Fig. 5-18).
Figure 13-18 Typical sediment rating curve [2]. |
Like the single-valued stage-discharge rating, the single-valued sediment rating curve is strictly valid only for steady equilibrium flow conditions. For strongly unsteady flows, the existence of loops in both water and sediment rating curves has been demonstrated [2]. These loops are complex in nature and are likely to vary from flood to flood. In practice, loops in water and sediment rating are commonly disregarded.
Como a classificação de descarga de estágio com valor único, a curva de classificação de sedimentos com valor único é estritamente válida apenas para condições de fluxo de equilíbrio constante. Para fluxos fortemente instáveis, foi demonstrada a existência de loops nas curvas de classificação da água e dos sedimentos [2]. Esses loops são de natureza complexa e provavelmente variam de inundação para inundação. Na prática, os loops na classificação da água e dos sedimentos são geralmente desconsiderados.
Sediment Routing
Roteamento de sedimentos
The calculation of sediment yield is lumped, i.e., it does not provide a measure of the spatial or temporal variability of sediment production within the catchment. Sediment transport formulas are invariably based on the assumption of steady equilibrium flow. Sediment routing, on the other hand, refers to the distributed and unsteady calculation of sediment production, transport and deposition in catchments, streams, rivers, reservoirs, and estuaries.
O cálculo do rendimento de sedimentos é concentrado, isto é, não fornece uma medida da variabilidade espacial ou temporal da produção de sedimentos dentro da bacia hidrográfica. As fórmulas de transporte de sedimentos são invariavelmente baseadas na suposição de fluxo de equilíbrio constante. O encaminhamento de sedimentos, por outro lado, refere-se ao cálculo distribuído e instável da produção, transporte e deposição de sedimentos em bacias hidrográficas, córregos, rios, reservatórios e estuários.
Of necessity, sediment routing involves a large number of calculations and, therefore, it is ideally suited for use with a computer. Sediment routing should be used, in addition to sediment yield and sediment transport evaluations, in cases where the description of spatial and temporal variations of sediment production, transport, and deposition is warranted. Sediment routing methods are particularly useful in the detailed analysis of sediment transport and deposition in rivers and reservoirs. For example, the computer model HEC-RAS, "River Analysis System," has a sediment routing component [21]. Several other sediment routing models have been developed in the last two decades; see, for instance, [4] and [25].
Necessariamente, o roteamento de sedimentos envolve um grande número de cálculos e, portanto, é ideal para uso em um computador. O encaminhamento de sedimentos deve ser usado, além das avaliações de produção e transporte de sedimentos, nos casos em que a descrição das variações espaciais e temporais da produção, transporte e deposição de sedimentos é necessária. Os métodos de roteamento de sedimentos são particularmente úteis na análise detalhada do transporte e deposição de sedimentos em rios e reservatórios. Por exemplo, o modelo de computador HEC-RAS, "River Analysis System", possui um componente de roteamento de sedimentos [21]. Vários outros modelos de roteamento de sedimentos foram desenvolvidos nas últimas duas décadas; veja, por exemplo, [4] e [25].
The Lane Relation
A Relação Lane
Lane [31] pioneered the development of quantitative fluvial geomorphology by relating water and sediment discharge to the stream slope and mean particle diameter. The Lane relation is:
Lane [31] foi pioneiro no desenvolvimento da geomorfologia quantitativa fluvial relacionando a descarga de água e sedimentos com a inclinação da corrente e o diâmetro médio das partículas. A relação Lane é:
| Qs ds ∝ Qw So | (13-25) |
which states the proportionality between the product of sediment discharge and sediment particle diameter (Qs ds) and the product of water discharge and stream slope (Qw So). The Lane relation is dimensional and was derived from experience.
que indica a proporcionalidade entre o produto da descarga de sedimentos e o diâmetro das partículas de sedimentos (Qs ds) e o produto da descarga de água e da inclinação da corrente (Qw So). A relação de Lane é dimensional e foi derivada da experiência.
Ponce [36] has improved the Lane relation by expressing it in dimensionless form, as follows:
Ponce [36] melhorou a relação Lane, expressando-a de forma adimensional, como segue:
| Qs (ds/R)1/3 ∝ γ Qw So | (13-26) |
in which R = hydraulic radius, and γ = specific weight of water. In Eq. 13-26, Qs is given in [F T-1] units, ds and R in the same units [L], γ in [F L-3] units, Qw in [L3 T-1] units, and So is dimensionless.
em que R = raio hidráulico e ~ = peso específico da água. Na Eq. 13-26, Qs é dado em unidades [F T-1], ds e R nas mesmas unidades [L], ~ em unidades [F L-3], Qw em unidades [L3 T-1] e Assim é adimensional.
The general unit-width sediment discharge is [36]:
A descarga geral de sedimentos com largura unitária é [36]:
| qs = ρ k1 v m | (13-27) |
in which k1 and m are coefficient and exponent, respectively, of the unit-width sediment discharge vs mean velocity relation. For the special case of m = 3, Eq. 13-27 reduces to:
em que k1 e m são coeficientes e expoentes, respectivamente, da relação entre a descarga unitária do sedimento e a velocidade média. Para o caso especial de m = 3, Eq. 13-27 reduz para:
| qs = ρ k1 v 3 | (13-28) |
in which k1 is dimensionless.
em que k1 é adimensional.
For m = 3, Eq. 13-26 reduces to the sediment transport relation [36]:
Para m = 3, Eq. 13-26 reduz a relação de transporte de sedimentos [36]:
| Qs = 58.7 k1 γ Qw So (R/ds)1/3 | (13-29) |
Equation 5-29 is dimensionless; therefore, independent of the system of units.
A equação 5-29 é adimensional; portanto, independente do sistema de unidades.
Applications. Assume pre- and post-development conditions, with subscripts 1 and 2, respectively. Further define the ratios: a = Qs2/Qs1; b = ds2/ds1; c = R2/R1; d = Qw2/Qw1; and e = So2/So1.
Formulários. Suponha condições de pré e pós-desenvolvimento, com os subscritos 1 e 2, respectivamente. Defina ainda mais as razões: a = Qs2 / Qs1; b = ds2 / ds1; c = R2 / R1; d = Qw2 / Qw1; e e = So2 / So1.
From Eq. 13-26:
| a (b/c)1/3 = d e | (13-30) |
Thus, the stream slope change from pre- to post-development is (Fig. 13-19):
Assim, a mudança da inclinação da corrente do pré para o pós-desenvolvimento é (Fig. 13-19):
| e = (a/d) (b/c)1/3 | (13-31) |
Figure 13-19 Streambed degradation below Fort Sumner Dam, Pecos river, New Mexico [31]. |
Example 13-11.
A river reach downstream of a proposed
dam has the following pre- and post-development conditions: a = 0.3, b = 1.0, c = 0.95, and d = 0.9.
Calculate the ratio of post- to pre-development stream slope.
Um rio atingido a jusante de uma barragem proposta possui as seguintes condições de pré e pós-desenvolvimento: a = 0,3, b = 1,0, c = 0,95 e d = 0,9. Calcule a proporção da inclinação do fluxo pós-pré-desenvolvimento.
Using Eq. 13-31: e = (0.3/0.9)(1.0/0.95)1/3 = 0.34. This assumes
the absence of geologic control or armoring,
which, if present, would increase the value of e above 0.34.
Usando a Eq. 13-31: e = (0,3 / 0,9) (1,0 / 0,95) 1/3 = 0,34. Isso pressupõe a ausência de controle geológico ou blindagem, que, se presente, aumentaria o valor de e acima de 0,34.
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13.4 DEPOSIÇÃO DE SEDIMENTOS EM RESERVATÓRIOS
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The concepts of sediment yield and sediment transport are essential to the study of sediment deposition in reservoirs. Sediment is first produced at upland and channel sources and then transported downstream by the action of flowing water. If the flowing water is temporarily detained, as in the case of an instream reservoir, its ability to continue to entrain sediment is substantially impaired, and deposition takes place.
Os conceitos de produção e transporte de sedimentos são essenciais para o estudo da deposição de sedimentos em reservatórios. O sedimento é produzido pela primeira vez nas fontes de terras altas e canais e depois transportado a jusante pela ação da água corrente. Se a água corrente é temporariamente retida, como no caso de um reservatório de fluxo interno, sua capacidade de continuar a sedimentar sedimentos é substancialmente prejudicada e a deposição ocorre.
Sediment deposition occurs in the vicinity of reservoirs. typically as shown in Fig. 13-20 [20]. First, deposition of the coarser-size fractions takes place near the entrance to the reservoir. As water continues to flow into the reservoir and over the dam, the delta continues to grow in the direction of the dam until it eventually fills the entire reservoir volume. The process is quite slow but relentless. Typically, reservoirs may take 50 to 100 y to fill, and in some instances, up to 500 y or more.
A deposição de sedimentos ocorre nas proximidades dos reservatórios. normalmente como mostrado na Fig. 13-20 [20]. Primeiro, a deposição das frações de tamanho mais grosso ocorre perto da entrada do reservatório. À medida que a água continua a fluir para dentro do reservatório e sobre a barragem, o delta continua a crescer na direção da barragem até que eventualmente encha todo o volume do reservatório. O processo é bastante lento, mas implacável. Normalmente, os reservatórios podem levar de 50 a 100 anos para serem preenchidos e, em alguns casos, até 500 anos ou mais.
Figure 13-20 Longitudinal sedimentation patterns in a reservoir operating at constant water level [20]. |
The rate of sediment deposition in reservoirs is a matter of considerable economic and practical importance. Since reservoirs are key features of hydroelectric and water resources development projects, the question of the design life of a reservoir is appropriate, given that most reservoirs will eventually fill with sediment. In an extreme example, the filling can occur in a single storm event, as in the case of a small sediment detention basin located in a semiarid region (Fig. 13-21). On the other hand, the reservoir can take hundreds of years to fill, as in the case of a large reservoir located in a predominantly humid or subhumid environment.
A taxa de deposição de sedimentos em reservatórios é uma questão de considerável importância econômica e prática. Como os reservatórios são as principais características dos projetos de desenvolvimento de recursos hidrelétricos e hídricos, a questão da vida útil de um reservatório é apropriada, uma vez que a maioria dos reservatórios acabará se enchendo de sedimentos. Em um exemplo extremo, o enchimento pode ocorrer em um único evento de tempestade, como no caso de uma pequena bacia de detenção de sedimentos localizada em uma região semiárida (Fig. 13-21). Por outro lado, o reservatório pode levar centenas de anos para ser enchido, como no caso de um grande reservatório localizado em um ambiente predominantemente úmido ou sub-úmido.
Figure 13-21 Sediment detention basin at the confluence of Arroyo Pasajero |
Reservoir Trap Efficiency
Eficiência da armadilha do reservatório
The difference between incoming and outgoing sediment is the sediment deposited in the reservoir. The incoming sediment can be quantified by the sediment yield, i.e. , the total sediment load entering the reservoir. The outgoing sediment can be quantified by the trap efficiency. Trap efficiency refers to the ability of the reservoir to entrap sediment being transported by the flowing water. It is defined as the ratio of trapped sediment to incoming sediment, in percentage, and is a function of: (1) the ratio of reservoir volume to mean annual runoff volume, and (2) the sediment characteristics.
A diferença entre o sedimento de entrada e saída é o sedimento depositado no reservatório. O sedimento de entrada pode ser quantificado pelo rendimento de sedimentos, isto é, a carga total de sedimentos que entra no reservatório. O sedimento de saída pode ser quantificado pela eficiência da armadilha. A eficiência da armadilha refere-se à capacidade do reservatório de reter os sedimentos transportados pela água corrente. É definida como a razão entre o sedimento capturado e o sedimento recebido, em porcentagem, e é uma função de: (1) a razão do volume do reservatório para o volume médio anual de escoamento e (2) as características do sedimento.
The following procedure is used to determine trap efficiency [44]:
O procedimento a seguir é usado para determinar a eficiência da interceptação [44]:
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Determine the reservoir capacity C in cubic hectometers (106 cubic meters) or acre-feet.
Determine a capacidade do reservatório C em hectômetros cúbicos (106 metros cúbicos) ou em acres.
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Determine the mean annual inflow I to the reservoir (runoff volume), in cubic hectometers or acre-feet.
Determine a entrada média anual I no reservatório (volume de escoamento), em hectômetros cúbicos ou em acres.
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Use Fig. 13-22 to determine the percentage trap efficiency as a function of the ratio C/I for any of three sediment characteristics. Estimate the texture of the incoming sediment by a study of sediment sources and/ or sediment transport by size fractions. The upper curve of Fig. 13-21 is applicable to coarse sands or flocculated sediments; the middle curve, to sediments consisting of a wide range of particle sizes; and the lower curve, to fine silts and clays.
Use a Fig. 13-22 para determinar a porcentagem de eficiência da armadilha em função da razão C / I para qualquer uma das três características do sedimento. Estime a textura dos sedimentos recebidos por um estudo de fontes de sedimentos e / ou transporte de sedimentos por frações de tamanho. A curva superior da Fig. 13-21 é aplicável a areias grossas ou sedimentos floculados; a curva do meio, para sedimentos constituídos por uma ampla gama de tamanhos de partículas; e a curva inferior, para refinar lodos e argilas.
Figure 13-22 Trap efficiency versus capacity-to-inflow ratio [44].
Reservoir Design Life
Vida do projeto do reservatório
The design life of a reservoir is the period required for the reservoir to fulfill its intended purpose. For instance, structures designed by the Soil Conservation Service for watershed protection and flood prevention programs have a design life of 50 to 100 y. Due to reservoir sedimentation, provisions are made to guarantee the full-design reservoir water-storage capacity for the planned design life. This may entail either: (1) cleaning out reservoir sediment deposits at predetermined intervals during the life of the structure or, as is more often the case, (2) providing a reservoir storage capacity large enough to store all the accumulated sediment deposits without encroachment on the designed water-storage volume. Typically, calculations of sediment-filling rates and sediment accumulation are part of the design of reservoir storage projects.
A vida útil do projeto de um reservatório é o período necessário para que o reservatório cumpra sua finalidade. Por exemplo, estruturas projetadas pelo Serviço de Conservação do Solo para programas de proteção de bacias hidrográficas e prevenção de inundações têm uma vida útil de 50 a 100 anos. Devido à sedimentação do reservatório, são tomadas providências para garantir a capacidade de armazenamento de água do reservatório de projeto completo para a vida útil planejada do projeto. Isso pode implicar: (1) limpar os depósitos de sedimentos do reservatório em intervalos predeterminados durante a vida útil da estrutura ou, como é mais frequente, (2) fornecer uma capacidade de armazenamento do reservatório grande o suficiente para armazenar todos os depósitos acumulados de sedimentos sem invasão no volume projetado de armazenamento de água. Normalmente, os cálculos das taxas de enchimento e acúmulo de sedimentos fazem parte do design dos projetos de armazenamento de reservatórios.
Distribution of Sediment Deposits
Distribuição de Depósitos de Sedimentos
The distribution of sediment deposits may be such as to materially affect the operation and maintenance of the dam and reservoir. The amount and types of sediment deposits vary with the nature of the sediment itself, the shape of the reservoir, the topography (bathymetry) of the reservoir floor, the nature of the approach channel, detention time, and purpose of the reservoir. The coarser sediment sizes are the first to deposit in the vicinity of the reservoir entrance (Fig. 13-23). Finer sediment sizes are able to travel longer distances inside the reservoir and deposit at locations close to the dam. However, very fine sediments are usually uniformly distributed in the reservoir bed.
A distribuição dos depósitos de sedimentos pode afetar materialmente a operação e manutenção da barragem e do reservatório. A quantidade e os tipos de depósitos de sedimentos variam de acordo com a natureza do próprio sedimento, a forma do reservatório, a topografia (batimetria) do piso do reservatório, a natureza do canal de aproximação, o tempo de detenção e a finalidade do reservatório. Os tamanhos de sedimentos mais grossos são os primeiros a depositar nas proximidades da entrada do reservatório (Fig. 13-23). Tamanhos mais finos de sedimentos são capazes de percorrer distâncias maiores dentro do reservatório e depositar em locais próximos à barragem. No entanto, sedimentos muito finos geralmente são distribuídos uniformemente no leito do reservatório.
Figure 13-23 Sediment deposition at tail of Torata reservoir, Cuajone, Peru. |
Sediment retention, or Debris, Basins
Retenção de sedimentos, ou detritos, bacias
Sediment retention basins, or debris basins, are small reservoirs located in upland areas with the specific purpose of trapping sediment and debris before they are able to reach the main fluvial network system. Debris is a general term used to describe the assortment of cobbles, boulders, branches, and other vegetative material that may clog channels and hydraulic structures, causing them to reach a critical design condition prematurely and often resulting in structural failure.
As bacias de retenção de sedimentos, ou bacias de detritos, são pequenos reservatórios localizados em áreas de terras altas com o objetivo específico de reter sedimentos e detritos antes que eles possam alcançar o principal sistema de rede fluvial. Detritos é um termo geral usado para descrever a variedade de pedras, pedregulhos, galhos e outros materiais vegetativos que podem entupir canais e estruturas hidráulicas, fazendo com que eles atinjam prematuramente uma condição crítica de projeto e geralmente resultem em falhas estruturais.
Debris basins are placed upstream of channels or reservoirs with the specific purpose of temporary detainment of debris. Debris basins are usually small and designed to be cleaned out from time to time. Some basins are sized to fill up during one or two major storms. Others may have a 50- or 100-y design life. Project costs and site conditions determine the size of debris basins.
As bacias de detritos são colocadas a montante de canais ou reservatórios com o objetivo específico de detenção temporária de detritos. As bacias de detritos são geralmente pequenas e projetadas para serem limpas periodicamente. Algumas bacias são dimensionadas para serem preenchidas durante uma ou duas grandes tempestades. Outros podem ter uma vida útil de 50 ou 100 anos. Os custos do projeto e as condições do local determinam o tamanho das bacias de detritos.
Sediment yield determinations for debris basin design should include both short-term and long-term analyses. The long-term sediment yield is determined from the appropriate sediment rating curve. For infrequent storms, however, sediment concentrations may exceed long-term averages by a factor of 2 or 3 [43].
As determinações do rendimento de sedimentos para o projeto da bacia de detritos devem incluir análises de curto e longo prazo. O rendimento a longo prazo do sedimento é determinado a partir da curva apropriada de classificação do sedimento. Para tempestades pouco frequentes, no entanto, as concentrações de sedimentos podem exceder as médias de longo prazo por um fator de 2 ou 3 [43].
Example 13-12.
A planned reservoir has a total capacity of 10 hm3 and a contributing catchment area of 250 km2.
Mean annual runoff at the site is 400 mm, annual sediment yield is 1000 metric tons/km2, and the specific weight of sediment deposits is estimated at 12,000 N/m3.
A sediment source study has confirmed that the sediments are primarily fine-grained.
Calculate the time that it will take for the reservoir to fill up to 80% and to 100% with sediments.
Um reservatório planejado tem uma capacidade total de 10 hm3 e uma área de captação de 250 km2. O escoamento médio anual no local é de 400 mm, o rendimento anual de sedimentos é de 1000 toneladas / km2 e o peso específico dos depósitos de sedimentos é estimado em 12.000 N / m3. Um estudo da fonte de sedimentos confirmou que os sedimentos são principalmente de granulação fina. Calcule o tempo que levará para o reservatório encher até 80% e 100% com sedimentos.
The calculations are shown in Table 13-9.
Because of decreased reservoir capacity as it fills with sediment, an interval of storage equal to ΔV = 1 hm3 is chosen for this example.
Os cálculos são mostrados na Tabela 13-9. Devido à diminuição da capacidade do reservatório à medida que se enche de sedimentos, um intervalo de armazenamento igual a ~V = 1 hm3 é escolhido para este exemplo.
Column 2 shows the loss of reservoir capacity, and Col. 3 shows the accumulated sediment deposits.
A coluna 2 mostra a perda de capacidade do reservatório e a coluna 3 mostra os depósitos acumulados de sedimentos.
The mean annual inflow to the reservoir is: 400 mm × 250 km2 = 100 hm3.
A entrada média anual para o reservatório é: 400 mm × 250 km2 = 100 hm3.
Column 4 shows the capacity-inflow ratios at the end of each interval, and Col. 5 shows the average capacity-inflow ratios per interval.
A coluna 4 mostra as razões de entrada de capacidade no final de cada intervalo, e a coluna 5 mostra as relações de entrada de capacidade médias por intervalo.
Column 6 shows the trap efficiencies Ti obtained from Fig. 13-21 using the curve for fine-grained sediments (lower curve).
A coluna 6 mostra as eficiências da armadilha Ti obtidas da Fig. 13-21 usando a curva para sedimentos de grão fino (curva inferior).
The annual sediment inflow Is is:
O fluxo anual de sedimentos É é:
1000 ton/km2/y × 1000 kg/ton × 250 km2 × 9.81 N/kg
Is = 0.204 hm3/y
The number of years to fill each ΔV interval is: ΔV / [Is (Ti /100)], shown in Col. 7.
O número de anos para preencher cada intervalo ~V é: ~V / [Is (Ti / 100)], mostrado na Col. 7.
The time for the reservoir to fill up to 80% of capacity is 60 y.
The time to fill up to 100% of capacity is 114 y.
O tempo para o reservatório preencher até 80% da capacidade é de 60 anos. O tempo para preencher até 100% da capacidade é de 114 anos.
Using ONLINE RESERVOIR LIFE, the results of Table 13-9 are confirmed.
Figure 13-24 Filling of a large reservoir with sediments.
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13.5 MEDIÇÕES DE SEDIMENTOS
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The measurement of fluvial sediments is often necessary to complement sediment yield and sediment transport studies. The accuracy of the measurement, however, is dependent not only on the equipment and techniques but also on the application of basic principles of sediment transport.
A medição de sedimentos fluviais é frequentemente necessária para complementar os estudos de produção e transporte de sedimentos. A precisão da medição, no entanto, depende não apenas do equipamento e das técnicas, mas também da aplicação dos princípios básicos do transporte de sedimentos.
As sediment enters a stream or river, it separates itself into bed-material load and wash load. In turn, the bed-material load is transported as either bed load or suspended load. The suspended bed-material load plus the wash load constitutes the total suspended sediment load of the stream or river.
À medida que o sedimento entra em um córrego ou rio, ele se separa da carga do material do leito e da carga de lavagem. Por sua vez, a carga do material do leito é transportada como carga do leito ou carga suspensa. A carga suspensa do material do leito mais a carga de lavagem constituem a carga total suspensa de sedimentos do córrego ou rio.
The term sampled suspended sediment discharge is used to describe the fraction of suspended sediment load that can be sampled with available equipment. Generally, it excludes the unsampled suspended sediment discharge, i.e., the fraction of suspended sediment ioad that is carried too close to the stream bed to be effectively sampled. The suspended sediment discharge is the sum of sampled plus unsampled suspended sediment discharges.
O termo descarga de sedimentos em suspensão amostrada é usado para descrever a fração da carga de sedimentos em suspensão que pode ser amostrada com o equipamento disponível. Geralmente, exclui a descarga de sedimentos em suspensão não amostrada, isto é, a fração de sedimentos em suspensão ioad que é transportada muito perto do leito do rio para ser efetivamente amostrada. A descarga de sedimentos em suspensão é a soma das descargas de sedimentos em suspensão amostrados e não amostrados.
Sediment Sampling Equipment
Equipamento de amostragem de sedimentos
Sediment sampling equipment can be classified as follows:
O equipamento de amostragem de sedimentos pode ser classificado da seguinte forma:
-
Suspended sediment samplers, which measure suspended sediment concentration,
Amostradores de sedimentos em suspensão, que medem a concentração de sedimentos em suspensão,
-
Bedload samplers, which measure bedload, and
Amostradores de carga, que medem a carga, e
-
Bed material samplers, which sample the sediment in the top layer of the streambed.
Amostradores de material de leito, que amostram o sedimento na camada superior do leito do rio.
Suspended sediment samplers. Suspended-sediment samplers can be classified as: (1) depth-integrating, (2) point-integrating, or (3) single-stage. Depth-integrating samplers accumulate a water-sediment sample in a pint-size milk bottle as they are lowered to the streambed and raised back to the surface at a uniform rate of transit. They are designed so that the velocity in the intake nozzle is nearly equal to the local stream velocity. Samples may be collected by wading in a stream, by hand from a suitable support, or mechanically with a cable-and-reel setup (Fig. 13-25).
Amostradores de sedimentos suspensos. Os amostradores de sedimentos suspensos podem ser classificados como: (1) integração de profundidade, (2) integração de pontos ou (3) estágio único. Os amostradores que integram a profundidade acumulam uma amostra de sedimento de água em uma garrafa de leite de tamanho pequeno, à medida que são abaixados para o leito do rio e elevados de volta à superfície a uma taxa de trânsito uniforme. Eles são projetados para que a velocidade no bico de entrada seja quase igual à velocidade do fluxo local. As amostras podem ser coletadas vadeando em um córrego, manualmente, a partir de um suporte adequado, ou mecanicamente com uma configuração de cabo e bobina (Fig. 13-25).
Figure 13-25 Cable and reel setup, Campo Creek at Campo gaging station, San Diego County, California. |
The US DH-48 sampler (3.5 lb) (Fig. 13-26) is a lightweight hand-held depth-integrating sampler used for the collection of suspended sediment samples in wadeable streams. It is designed to sample isokinetically, meaning that water and sediment enter the nozzle at the same velocity as the stream being sampled, in order to collect a representative sample. This sampler is used in shallow streams when the product of flow depth (in feet) and mean velocity (in feet per second) does not exceed 10 [22].
O amostrador US DH-48 (3,5 lb) (Fig. 13-26) é um amostrador leve e integrador de profundidade portátil usado para a coleta de amostras de sedimentos em suspensão em riachos empunhadáveis. Ele é projetado para amostrar isocineticamente, o que significa que a água e os sedimentos entram no bico na mesma velocidade que a corrente que está sendo amostrada, a fim de coletar uma amostra representativa. Este amostrador é usado em fluxos rasos quando o produto da profundidade do fluxo (em pés) e da velocidade média (em pés por segundo) não excede 10 [22].
Figure 13-26 US DH-48 depth-integrating suspended sediment sampler. |
The US DH-59 and US DH-76 samplers (22 and 25 lbs, respectively) with handline suspension are used in streams with low velocities but with depths that do not permit samples to be collected by wading (Figs. 13-27 and 13-28). The US D-74 sampler (aluminum, 42 lbs; brass, 62 lbs) with cable-and-reel suspension is designed for use in streams beyond the range of hand-operated equipment. Depth-integrating samplers were developed to improve sampling accuracy and to reduce the cost of collecting suspended sediment data.
Os amostradores US DH-59 e US DH-76 (22 e 25 libras, respectivamente) com suspensão manual são usados em correntes com baixas velocidades, mas com profundidades que não permitem que as amostras sejam coletadas por vadear (Figs. 13-27 e 13 -28). O amostrador US D-74 (alumínio, 42 libras; latão, 62 libras) com suspensão de cabo e molinete foi projetado para uso em fluxos além da gama de equipamentos manuais. Amostradores integradores de profundidade foram desenvolvidos para melhorar a precisão da amostragem e reduzir o custo da coleta de dados de sedimentos em suspensão.
Figure 13-27 US DH-59 depth-integrating suspended sediment sampler. |
Figure 13-28 US DH-76 depth-integrating suspended sediment sampler. |
Point-integrating samplers accumulate a water-sediment sample that is representative of the mean concentration at any selected point in a stream during a short interval of time. The intake and exhaust characteristics of point-integrating samplers are identical to those of depth-integrating samplers. A rotary valve that opens and closes the sampler is operated by a solenoid energized by batteries at the surface. The current flows to the solenoid by a current-meter cable, which suspends the sampler. Point-integrating samplers can be used to collect depth-integrating samples by leaving the valve open as the sampler is moved through the stream vertical. This permits depth-integration in streams that are too deep to be appropriately sampled with a depth-integrating sampler. The US P-61-A1 (105 lb), US P-63 (202 lb), and US P-72 (41 lb) point-integrating samplers are in current use.
Os amostradores que integram pontos acumulam uma amostra de sedimento aquoso que é representativa da concentração média em qualquer ponto selecionado de um fluxo durante um curto intervalo de tempo. As características de admissão e escape dos amostradores que integram pontos são idênticas às dos amostradores que integram a profundidade. Uma válvula rotativa que abre e fecha o amostrador é operada por um solenóide energizado por baterias na superfície. A corrente flui para o solenóide por um cabo do medidor de corrente, que suspende o amostrador. Os amostradores de integração de pontos podem ser usados para coletar amostras de integração de profundidade, deixando a válvula aberta enquanto o amostrador é movido pela corrente vertical. Isso permite a integração de profundidade em fluxos muito profundos para serem amostrados adequadamente com um amostrador de integração de profundidade. Os amostradores integradores de pontos US P-61-A1 (105 lb), US P-63 (202 lb) e US P-72 (41 lb) estão em uso atual.
The single-stage sampler was developed to obtain suspended sediment data in flashy streams, particularly those in remote areas [24]. It is used to sample sediment at a specific depth and on the rising stage only. The sampler operates on the siphon principle, and therefore the velocity in the intake is not equal to the stream velocity. With careful operation, the single-stage sampler can be used to obtain supplemental data on suspended-sediment concentration at selected points.
O amostrador de estágio único foi desenvolvido para obter dados de sedimentos em suspensão em fluxos chamativos, particularmente aqueles em áreas remotas [24]. É usado para amostrar sedimentos a uma profundidade específica e apenas no estágio ascendente. O amostrador opera com base no princípio do sifão e, portanto, a velocidade na entrada não é igual à velocidade do fluxo. Com uma operação cuidadosa, o amostrador de estágio único pode ser usado para obter dados suplementares sobre a concentração de sedimentos em suspensão em pontos selecionados.
Bedload samplers. The US BLH-84 is a wading-type hand-held bedload sampler (Fig. 13-29). The sampler consists of an expanding nozzle, a sample bag, and a wading rod assembly. The ratio of nozzle area to entrance area is 1.4. A polyester mesh bag with mesh openings of 0.25 mm is attached to the rear of the nozzle assembly with an "O " ring. The sampler is constructed of aluminum and it weighs 10 lbs.
Amostradores de carga. O US BLH-84 é um amostrador de carga manual do tipo vadear (Fig. 13-29). O amostrador consiste em um bico expansível, um saco de amostras e um conjunto de haste rasa. A proporção entre a área do bico e a área de entrada é de 1,4. Uma bolsa de malha de poliéster com aberturas de malha de 0,25 mm é presa à parte traseira do conjunto do bico com um anel "O". O amostrador é construído em alumínio e pesa 10 libras.
Figure 13-29 US BLH-84 bedload sampler. |
The US BL-84 is a cable-suspended bedload sampler used to collect samples from streams that cannot be waded (Fig. 13-30). The sampler consists of an expanding nozzle mounted in a frame and a sampler bag. The sampler is constructed of stainless steel and aluminum and it weighs 32 lbs.
O US BL-84 é um amostrador de carga em suspensão suspensa por cabo usado para coletar amostras de riachos que não podem ser arrastados (Fig. 13-30). O amostrador consiste em um bico expansível montado em uma estrutura e em um saco de amostrador. O amostrador é construído em aço inoxidável e alumínio e pesa 32 libras.
Figure 13-30 US BL-84 bedload sampler. |
Bed-material samplers. Bed-material samplers are of three types: (1) drag bucket, (2) grab bucket, and (3) vertical-pipe, or core sampler. The drag-bucket sampler consists of a weighted section of cylinder with an open mouth and cutting edge. As the sampler is dragged upstream along the bed, it collects a sample from the top layer of bed material. The grab-bucket sampler is similar to the drag-bucket, consisting of a cylinder section attached to a rod, and used primarily in shallow streams. The vertical pipe, or core sampler, consists of a piece of metal or plastic pipe that can be forced into the stream by hand. Generally, the drag-bucket and grab-bucket samplers do not obtain representative samples of bed material because of the loss of fine material. The core sampler is satisfactory for use in shallow streams.
Amostradores de material de leito. Os amostradores de material de leito são de três tipos: (1) caçamba de arrasto, (2) caçamba de garra e (3) amostrador de tubo vertical ou núcleo. O amostrador de caçamba de arrasto consiste em uma seção ponderada do cilindro com boca aberta e aresta de corte. Quando o amostrador é arrastado a montante ao longo da cama, ele coleta uma amostra da camada superior do material da cama. O amostrador de caçamba é semelhante ao caçamba de arrasto, consistindo de uma seção de cilindro presa a uma haste e usada principalmente em correntes rasas. O tubo vertical, ou amostrador de núcleo, consiste em um pedaço de tubo de metal ou plástico que pode ser forçado a entrar no fluxo manualmente. Geralmente, os amostradores de caçamba de arraste e caçamba não obtêm amostras representativas do material do leito devido à perda de material fino. O amostrador de núcleo é satisfatório para uso em fluxos rasos.
The US BMH-53 sampler consists of a 8-in.-long, 2-in.-diameter brass or stainless steel pipe with a cutting edge and suction piston attached to a control rod. The sampler weighs 7.5 lbs (Fig. 13-31). The piston is retracted as the cutting cylinder is forced into the streambed. The partial vacuum that develops in the sampling chamber as the piston is withdrawn assists in holding the sample in the cylinder. The sampler can be used only in streams shallow enough to be waded.
O amostrador US BMH-53 consiste em um tubo de latão ou aço inoxidável de 8 pol. De comprimento por 2 pol. De diâmetro com uma aresta de corte e um pistão de sucção conectados a uma haste de controle. O amostrador pesa 7,5 libras (Fig. 13-31). O pistão é retraído quando o cilindro de corte é forçado a entrar no leito do fluxo. O vácuo parcial que se desenvolve na câmara de amostragem quando o pistão é retirado ajuda a reter a amostra no cilindro. O amostrador pode ser usado apenas em fluxos rasos o suficiente para serem arrastados.
Figure 13-31 US BMH-53 bed material sampler. |
The US BMH-60 bed material sampler is designed to scoop up a sample of bed sediment about 3 in. wide and 2 in. deep. At the close of the sampling operation, the cutting edge rests against a rubber stop, which prevents any sediment from being lost. The sampler is made out of aluminum, it is 22 in. long and it weighs 32 lbs (Fig. 13-32). It is used to collect bed-material-sediment samples in streams with low velocities but with depths beyond the range of the BMH-53 sampler.
O amostrador de material de leito BMH-60 dos EUA foi projetado para coletar uma amostra de sedimento de leito com cerca de 3 pol de largura e 2 pol de profundidade. No final da operação de amostragem, a aresta de corte repousa sobre uma parada de borracha, que impede a perda de qualquer sedimento. O amostrador é feito de alumínio, mede 22 pol. De comprimento e pesa 32 libras (Fig. 13-32). É usado para coletar amostras de sedimentos de leito em riachos com baixas velocidades, mas com profundidades além da faixa do amostrador BMH-53.
Figure 13-32 US BMH-60 bed material sampler. |
The US BM-54 bed-material sampler (100 lb) with cable suspension is similar in
design to the BHM-60 sampler. The sampler is made out of cast iron, it is 22 in. long and it weighs
100 lbs
O amostrador de material de cama BM-54 dos EUA (100 lb) com suspensão de cabo é semelhante em design ao amostrador BHM-60. O amostrador é feito de ferro fundido, mede 22 pol. De comprimento e pesa 100 libras (Fig. 13-33). É usado em fluxos profundos onde é necessário um amostrador mais pesado.
Figure 13-33 US BM-54 bed material sampler. |
Table 13-10 lists sediment samplers in common use, developed by the U.S. Federal Interagency Sedimentation Project.
A Tabela 13-10 lista os amostradores de sedimentos de uso comum, desenvolvidos pelo US Federal Interagency Sedimentation Project.
| To sample | Sampler ID | Weight (lbs) | Applicable to |
| Suspended sediment | DH-48 | 3.5 | Velocity × depth < 10 ft2/s |
| DH-59, DH-76 | 22, 25 | Deeper streams, not wadable | |
| D-74 | 42 (aluminum); 62 (brass) | Large streams | |
| Bed load | BLH-84 | 10 | Shallow streams, wadable |
| BL-84 | 32 | Any depth, deeper streams | |
| Bed material | BMH-53 | 7.5 | Shallow streams, wadable |
| BMH-60 | 32 | Handline, low velocity | |
| BM-54 | 100 | Any depth, deeper streams | |
Suspended-sediment Discharge Measurements
Medições de Descarga de Sedimentos Suspensos
Suspended-sediment samplers are used to determine sediment concentration at a point in a stream (i.e., a stream vertical), except for a small unmeasured zone located just above the stream bed. With wading equipment, measurements can generally be made down to within 0.3 ft of the stream bed. For cable-supported equipment, the unmeasured zone varies between 0.5 and 1.0 ft, depending on the size of sampler used.
Amostradores de sedimentos suspensos são usados %G​​%@para determinar a concentração de sedimentos em um ponto de uma corrente (isto é, uma corrente vertical), exceto por uma pequena zona não medida localizada logo acima do leito da corrente. Com o equipamento para vadear, as medições geralmente podem ser feitas até 0,3 pés do leito do rio. Para equipamentos suportados por cabo, a zona não medida varia entre 0,5 e 1,0 pés, dependendo do tamanho do amostrador usado.
Suspended-sediment discharge measurements include: (1) suspended-sediment concentration, (2) particle size, (3) specific gravity, (4) temperature of water-sediment mixture, (5) water discharge, and (6) distribution of flow in the stream cross section.
As medições de descarga de sedimentos em suspensão incluem: (1) concentração de sedimentos em suspensão, (2) tamanho de partícula, (3) gravidade específica, (4) temperatura da mistura água-sedimento, (5) descarga de água e (6) distribuição de fluxo na seção transversal do fluxo.
The streamflow depth and velocity and the facilities at the sampling site (bridge, cableway, and so on) have an influence on the choice of sampler. Stream depth determines whether hand samplers, such as the DH-48 or DH-59, or a cable-suspended sampler, such as the D-74, should be used. Flow depths over 15 ft require the use of point-integrating samplers to avoid overfilling of the sampling bottles. The larger the product of flow depth times mean velocity, the heavier the sample required for proper measurement.
A profundidade e a velocidade do fluxo de fluxo e as instalações no local de amostragem (ponte, teleférico etc.) influenciam a escolha do amostrador. A profundidade do fluxo determina se os amostradores manuais, como o DH-48 ou DH-59, ou um amostrador suspenso por cabo, como o D-74, devem ser usados. As profundidades de fluxo acima de 15 pés requerem o uso de amostradores que integram pontos para evitar o enchimento excessivo dos frascos de amostragem. Quanto maior o produto dos tempos de profundidade do fluxo, velocidade média, mais pesada será a amostra necessária para a medição adequada.
The number of sampling verticals depends on the desired accuracy and the variation of sediment concentration across the stream. For streams with a stable cross section and essentially uniform sediment concentration across the width, sampling at a single vertical is usually adequate.
O número de verticais de amostragem depende da precisão desejada e da variação da concentração de sedimentos ao longo do fluxo. Para riachos com uma seção transversal estável e concentração de sedimentos essencialmente uniforme em toda a largura, a amostragem em uma única vertical é geralmente adequada.
Depth-integrating samplers produce a suspended-sediment concentration, which can be measured in parts per million and converted to milligrams per liter. The suspended-sediment discharge is given by the following formula:
| Qs = 0.0027 Cs Q | (13-33) |
in which Qs = suspended sediment discharge, in tons per day; Cs = suspended-sediment concentration, in milligrams per liter; Q = water discharge, in cubic feet per second, and 0.0027 is the conversion factor for the indicated units. Table 13-8 shows a factor to convert concentration in parts per million to milligrams per liter.
em que Qs = descarga de sedimentos em suspensão, em toneladas por dia; Cs = concentração de sedimentos em suspensão, em miligramas por litro; Q = descarga de água, em pés cúbicos por segundo, e 0,0027 é o fator de conversão para as unidades indicadas. A Tabela 13-8 mostra um fator para converter a concentração em partes por milhão em miligramas por litro.
There are two techniques to measure suspended-sediment discharge: (1) EDI, or equal-discharge increments, and (2) ETR, or equal-transit rate. In the EDI method, sampling is done at the centroids of equal-discharge increments. In the ETR method, sampling is done at the centroids of equal-length increments.
Existem duas técnicas para medir a descarga de sedimentos em suspensão: (1) EDI, ou incrementos de descarga igual e (2) ETR, ou taxa de trânsito igual. No método EDI, a amostragem é feita nos centróides de incrementos de descarga igual. No método ETR, a amostragem é feita nos centróides de incrementos de comprimento igual.
The EDI method requires a knowledge of the lateral distribution of streamflow prior to the selection of sampling verticals. The ETR method is applicable to shallow streams where the cross-sectional distribution of streamflow is not stable. Generally, the EDI method requires fewer sampling verticals than the ETR method. The ETR method, however, does not require a prior discharge measurement. The suspended-sediment concentration in the EDI method is the average obtained from several depth-integrating samples. In the ETR method, the suspended sediment concentration is that of a composite sample encompassing several depth-integrating samples.
O método EDI requer um conhecimento da distribuição lateral do fluxo antes da seleção das verticais de amostragem. O método ETR é aplicável a fluxos rasos onde a distribuição transversal do fluxo não é estável. Geralmente, o método EDI requer menos verticais de amostragem do que o método ETR. O método ETR, no entanto, não requer uma medição de descarga anterior. A concentração de sedimentos em suspensão no método EDI é a média obtida de várias amostras que integram a profundidade. No método ETR, a concentração de sedimentos em suspensão é a de uma amostra composta que engloba várias amostras integradoras de profundidade.
The error in suspended-sediment discharge provided by the measurement varies with the depth of the unsampled zone and the size distribution of suspended load. The error tends to be smallest in the cases where the vertical concentration gradient in the unsampled zone is small. The concentration gradient near the bed is small for silt and clay particles and large for coarser sand particles. Corrections in sampled suspended sediment discharge to account for the unsampled portion are usually obtained through appropriate sediment transport predictors such as the Colby 1957 method or the Modified Einstein Procedure [7, 9].
O erro na descarga de sedimentos suspensos fornecido pela medição varia com a profundidade da zona não amostrada e a distribuição de tamanho da carga suspensa. O erro tende a ser menor nos casos em que o gradiente de concentração vertical na zona não amostrada é pequeno. O gradiente de concentração próximo ao leito é pequeno para partículas de silte e argila e grande para partículas de areia mais grossa. As correções na descarga de sedimentos suspensos amostradas para contabilizar a porção não amostrada são geralmente obtidas por meio de preditores de transporte de sedimentos apropriados, como o método de Colby 1957 ou o Procedimento de Einstein Modificado [7, 9].
QUESTÕES
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Give two alternate definitions of particle sphericity.
Dê duas definições alternativas de esfericidade das partículas.
What is the difference between specific weight and specific gravity?
Qual é a diferença entre peso específico e gravidade específica?
What is standard fall velocity? What is standard fall diameter?
Qual é a velocidade padrão de queda? Qual é o diâmetro padrão de queda?
What is the difference between sediment production and sediment yield?
Qual é a diferença entre produção de sedimentos e rendimento de sedimentos?
Describe the differences between normal and accelerated erosion.
Descreva as diferenças entre erosão normal e erosão acelerada.
Name four sources of sediment.
Cite quatro fontes de sedimento.
What is the rainfall factor R in the Universal Soil Loss Equation?
Qual é o fator de precipitação R na Equação Universal de Perda de Solo?
What is sediment delivery ratio?
Qual é a taxa de entrega de sedimentos?
Why is sediment delivery ratio inversely related to drainage-basin area?
Por que a taxa de entrega de sedimentos está inversamente relacionada à área da bacia de drenagem?
Why are two formulas needed in the Dendy and Bolton approach to the computation of sediment yield?
Por que duas fórmulas são necessárias na abordagem de Dendy e Bolton para o cálculo do rendimento de sedimentos?
Describe the classifications of sediment load based on: (1) predominant mode of transport, and (2) whether the particle sizes are represented on the channel bed.
Descreva as classificações da carga de sedimentos com base em: (1) modo de transporte predominante e (2) se os tamanhos das partículas estão representados no leito do canal.
What are possible forms of bed roughness in alluvia! channels?
Quais são as formas possíveis de rugosidade da cama na aluvião! canais?
What is range of applicability of the Meyer-Peter formula for bedload transport?
Qual é o alcance da aplicabilidade da fórmula de Meyer-Peter para o transporte de carga?
What is the basic difference between the Colby 1957 and Colby 1964 procedures for the computation of discharge of sands?
Qual é a diferença básica entre os procedimentos de Colby 1957 e Colby 1964 para o cálculo da descarga de areias?
What is a sediment rating curve?
O que é uma curva de classificação de sedimentos?
What is sediment routing?
O que é roteamento de sedimentos?
What is the trap efficiency of a reservoir?
Qual é a eficiência da armadilha de um reservatório?
What is a debris basin?
O que é uma bacia de detritos?
Describe two techniques to measure suspended-sediment discharge. How do they differ in the evaluation of suspended sediment concentration?
Descreva duas técnicas para medir a descarga de sedimentos em suspensão. Como eles diferem na avaliação da concentração de sedimentos em suspensão?
PROBLEMAS
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Calculate the fall velocity of a sediment particle using Stokes' law. Assume a diameter 0.1 mm, kinematic viscosity 1 centistoke, and specific gravity 2.65.
Calcule a velocidade de queda de uma partícula de sedimento usando a lei de Stokes. Suponha um diâmetro de 0,1 mm, viscosidade cinemática 1 centistoke e gravidade específica 2,65.
Calculate the specific weight of a sediment deposit in a reservoir, after an elapsed time of 100 y, under moderate drawdown conditions. Assume the following mix of particle sizes: sand 55%, silt 30%, clay 15%.
Calcule o peso específico de um depósito de sedimentos em um reservatório, após um tempo decorrido de 100 anos, sob condições de retirada moderadas. Suponha a seguinte mistura de tamanhos de partículas: areia 55%, silte 30%, argila 15%.
Compute the average annual soil loss by the universal soil loss equation for a 300-ac watershed near Lexington, Kentucky, with the following conditions: (1) cropland, 250 ac, contoured, soil is Keen silt loam, slopes are 7% and 150 ft long, C = 0.15; (2) pasture, 50 acres, 75% canopy cover, 60% ground cover with grass, soil is Ida silt loam, slopes are 10% and 200 ft long.
Calcule a perda média anual de solo pela equação universal da perda de solo para uma bacia hidrográfica de 300 aC perto de Lexington, Kentucky, com as seguintes condições: (1) terras cultiváveis, 250 aC, contornadas, o solo é argiloso, as inclinações são de 7% e 150 pés de comprimento, C = 0,15; (2) pastagem, 50 acres, 75% de cobertura do dossel, 60% de cobertura do solo com grama, o solo é um lodo de Ida lodo, as encostas têm 10% e 200 pés de comprimento.
Compute the average annual soil loss by the universal soil loss equation for a 1-mi2 forested watershed near Bangor, Maine. The soil is Fayette silt loam, the slopes are 3% and 300 ft long, and the site is 80% covered by forest litter.
Calcule a perda média anual de solo pela equação universal de perda de solo para uma bacia hidrográfica de 1 mi2 florestal perto de Bangor, Maine. O solo é de barro de lodo de Fayette, as inclinações têm 3% e 300 pés de comprimento e o local é 80% coberto por lixo da floresta.
Using the Dendy and Bolton formula, calculate the sediment yield for a 25.9-km2 watershed with 5 cm of mean annual runoff.
Usando a fórmula de Dendy e Bolton, calcule o rendimento de sedimentos para uma bacia hidrográfica de 25,9 km2 com 5 cm de escoamento médio anual.
Determine whether a particle of 2-mm diameter is at rest under a 3-m flow depth and 0.0002 channel slope. Assume a specific gravity 2.65 and kinematic viscosity 1 centistoke.
Determine se uma partícula de 2 mm de diâmetro está em repouso sob uma profundidade de fluxo de 3 m e uma inclinação de 0,0002 canais. Suponha uma gravidade específica 2,65 e viscosidade cinemática 1 centistoke.
Determine the form of bed roughness that is likely to prevail under the following flow conditions: mean velocity 3 ft/s, flow depth 8 ft, channel slope 0.0002, and mean particle diameter 0.3 mm.
Determine a forma de rugosidade do leito que provavelmente prevalecerá nas seguintes condições de fluxo: velocidade média de 3 pés / s, profundidade de fluxo de 8 pés, inclinação do canal 0,0002 e diâmetro médio das partículas de 0,3 mm.
Given the following flow characteristics: flow depth 9 ft, mean velocity 3 ft/s, channel slope 0.00015, mean particle diameter 0.4 mm, mean channel width 250 ft. Calculate the bed material transport rate by the Duboys formula.
Dadas as seguintes características de vazão: profundidade de vazão 9 pés, velocidade média de 3 pés / s, inclinação do canal 0,00015, diâmetro médio das partículas 0,4 mm, largura média do canal 250 pés. Calcule a taxa de transporte de material do leito pela fórmula de Duboys.
Given the following flow characteristics: flow depth 3 ft, mean velocity 5 ft/s, energy slope 0.009, mean particle diameter 1.0 in., mean channel width 30 ft. Calculate the bedámaterial transport rate (in tons per day) by the Meyer-Peter formula.
Dadas as seguintes características de vazão: profundidade do fluxo de 3 pés, velocidade média de 5 pés / s, inclinação da energia 0,009, diâmetro médio das partículas de 1,0 pol., Largura média do canal de 30 pés. Calcule a taxa de transporte de materiais do leito (em toneladas por dia) pelo Meyer- Fórmula de Peter.
Given the following flow characteristics: flow depth 5 ft, mean velocity 4 ft/s, mean channel width 180 ft, measured concentration of suspended bed material discharge 200 ppm. Calculate the total bed-material discharge (in tons per day) by the Colby 1957 method.
Dadas as seguintes características de fluxo: profundidade do fluxo de 5 pés, velocidade média de 4 pés / s, largura média do canal de 180 pés, concentração medida da descarga do material do leito em suspensão 200 ppm. Calcule a descarga total de material do leito (em toneladas por dia) pelo método de Colby 1957.
Given the following flow characteristics: flow depth 5 ft, mean velocity 3 ft/s, median bed material size 0.3 mm, mean channel width 225 ft, water temperature 70°F, wash load concentration 300 ppm. Calculate the discharge of sands by the Colby 1964 method.
Dadas as seguintes características de fluxo: profundidade do fluxo de 5 pés, velocidade média de 3 pés / s, tamanho médio do material do leito 0,3 mm, largura média do canal de 225 pés, temperatura da água 70 ° F, concentração de carga de lavagem 300 ppm. Calcule a descarga de areias pelo método de Colby 1964.
A reservoir is to be built with a total storage capacity of 50 hm3. The contributing drainage basin is 800 km2, and the mean annual runoff at the site is 200 mm. Assume well-graded sediment deposits with average specific weight 1400 kg/m3. (a) How long will it take for the reservoir to lose 20% of its storage volume? (b) How long will it take for the reservoir to fill up with sediment? Estimate sediment yield by the Dendy and Bolton formula.
Um reservatório deve ser construído com uma capacidade total de armazenamento de 50 hm3. A bacia de drenagem contribuinte é de 800 km2, e o escoamento médio anual no local é de 200 mm. Suponha depósitos de sedimentos bem graduados com peso específico médio de 1400 kg / m3. (a) Quanto tempo levará para o reservatório perder 20% de seu volume de armazenamento? (b) Quanto tempo levará para o reservatório se encher de sedimentos? Estimar o rendimento de sedimentos pela fórmula de Dendy e Bolton.
A reservoir is to be built with a total storage capacity of 120 hm3. The contributing drainage basin is 425 km2, and the mean annual runoff at the site is 45 mm. Assume coarse sediment deposits with average specific weight 13 kN/m3. (a) How long will it take for the reservoir to lose 80% of its storage volume? (b) How long will it take for the reservoir to fill up with sediment? Estimate sediment yield by the Dendy and Bolton formula.
Um reservatório deve ser construído com uma capacidade total de armazenamento de 120 hm3. A bacia de drenagem contribuinte é de 425 km2 e o escoamento médio anual no local é de 45 mm. Assuma depósitos de sedimentos grossos com peso específico médio de 13 kN / m3. (a) Quanto tempo levará para o reservatório perder 80% de seu volume de armazenamento? (b) Quanto tempo levará para o reservatório se encher de sedimentos? Estimar o rendimento de sedimentos pela fórmula de Dendy e Bolton.
Derive the conversion factor 0.0027 in Eq. 13-33.
Derive o fator de conversão 0,0027 na Eq. 13-33.
Calculate the suspended sediment discharge (in tons per day) for the following cases: (1) suspended sediment concentration 100 ppm, water discharge 1200 ft3/s, and (2) suspended sediment concentration 80,000 ppm, and water discharge 5000 ft3/s.
Calcule a descarga de sedimentos em suspensão (em toneladas por dia) para os seguintes casos: (1) concentração de sedimentos em suspensão 100 ppm, descarga de água 1200 pés3 / s e (2) concentração de sedimentos em suspensão 80.000 ppm e descarga de água 5000 pés3 / s.
Derive the unit conversion factor C in the following formula: Qs = C Cs Q, in which Qs is given in kilonewtons per day, Cs in milligrams per liter, and Q in cubic meters per second.
Derive o fator de conversão unitário C na seguinte fórmula: Qs = C Cs Q, em que Qs é dado em quilonewtons por dia, Cs em miligramas por litro e Q em metros cúbicos por segundo.
Calculate the suspended sediment discharge (in kilonewtons per day) for a suspended sediment concentration of 150 ppm and a flow of 68 m3/s.
Calcule a descarga de sedimentos em suspensão (em quilonewtons por dia) para uma concentração de sedimentos em suspensão de 150 ppm e um fluxo de 68 m3 / s.
Calculate the suspended sediment discharge (in kilonewtons per day) for a suspended sediment concentration of 22,000 ppm and a flow of 155 m3/s.
Calcule a descarga de sedimentos em suspensão (em quilonewtons por dia) para uma concentração de sedimentos em suspensão de 22.000 ppm e um fluxo de 155 m3 / s.
REFERENCES
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200728 |