Revista Agrária Acadêmica
doi: 10.32406/v7n6/2024/106-115/agrariacad
Vazão em canais fluviais pelo método do flutuador. Flow in river channels by the float method.
João Paulo Adams
1, Marcelo Crestani Mota2, Hemerson Pablo Silva Castro3, Peterson da Paz4
1- Docente do Curso de Agronomia – Faculdade Marechal Rondon – FARON, Vilhena/RO – Brasil. E-mail: joaopauloadams@hotmail.com
2- Docente e Coordenador do Curso de Agronomia – Faculdade Marechal Rondon – FARON, Vilhena/RO – Brasil. E-mail: crestanimota@gmail.com
3- Docente EBTT – Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Acre – IFAC – Campus Xapuri, Xapuri/AC – Brasil. E-mail: desmistifisica@gmail.com
4- Docente do Curso de Engenharia Civil – Faculdade Marechal Rondon – FARON, Vilhena/RO – Brasil. E-mail: petersondapaz@gmail.com
Resumo
A quantificação da vazão em canais fluviais é fundamental para a gestão dos recursos hídricos, influenciando diretamente o planejamento de usos como irrigação agrícola, abastecimento público e monitoramento ambiental. Métodos convencionais, no entanto, podem ser dispendiosos e demandar equipamentos sofisticados, tornando o método do flutuador uma alternativa acessível para a estimativa da vazão, utilizando materiais simples e de fácil aplicação. Este estudo teve como objetivo descrever os procedimentos teóricos e práticos para a determinação da vazão em canais fluviais naturais, empregando o método do flutuador. A pesquisa foi realizada no rio Piracolino, em Vilhena/RO, seguindo um delineamento experimental baseado na equação da continuidade, com a definição de secções transversais e longitudinais. A velocidade do escoamento foi determinada pelo deslocamento de um flutuador entre as secções demarcadas, sendo os dados corrigidos por coeficientes ajustados às características do leito do rio. Os resultados indicaram que, embora apresente menor precisão em comparação a técnicas mais sofisticadas, o método do flutuador forneceu estimativas confiáveis de vazão, com um valor calculado de 2,95 m³/s. A principal limitação da metodologia está na influência de fatores externos, como irregularidades no leito do rio e variações na forma do flutuador, que podem comprometer a precisão das medições. Ainda assim, o método se apresenta como uma solução viável para a medição de vazão em rios de pequeno e médio porte, viabilizando monitoramento frequente e de baixo custo.
Palavras-chave: Hidrometria. Recursos hídricos. Medição de vazão. Descarga. Canais naturais.
Abstract
The quantification of streamflow in river channels is crucial for water resource management, directly influencing the planning of agricultural irrigation, public water supply, and environmental monitoring. However, conventional methods can be expensive and require sophisticated equipment, making the float method a cost-effective alternative for streamflow estimation using simple and easily deployable materials. This study aimed to describe the theoretical and practical procedures for determining streamflow in natural fluvial channels using the float method. The research was conducted in the Piracolino River, in Vilhena/RO, following an experimental design based on the continuity equation, with defined transverse and longitudinal sections. Flow velocity was determined by tracking the displacement of a float between the designated sections, with data corrected using coefficients adjusted to the riverbed characteristics. The results indicated that, although less precise than more advanced techniques, the float method provided reliable streamflow estimates, yielding a calculated value of 2.95 m³/s. The primary limitation of this method lies in external factors such as riverbed irregularities and variations in float shape, which may affect measurement accuracy. Nevertheless, the method proves to be a viable approach for streamflow measurement in small to medium-sized rivers, enabling frequent and cost-effective hydrological monitoring.
Keywords: Hydrometry. Water resources. Flow measurement. Discharge. Natural channels.
Introdução
As alterações promovidas pelo homem na ocupação e uso do solo podem produzir impactos nos processos hidrológicos, como variações na vazão de rios, o que ocasiona alterações na descarga e qualidade da água de uma bacia hidrográfica (TUCCI, 1997).
É fundamental o manejo para a manutenção dos recursos hídricos e garantia de sua disponibilidade. Para tal, a bacia hidrográfica é uma importante unidade de estudo e planejamento, devido ao fato de ser uma unidade geográfica onde os recursos naturais se integram e constituem uma área de fácil reconhecimento e caracterização. Segundo Pinheiro et al. (2011), os cursos d’água refletem as consequências do uso e ocupação do solo na bacia hidrográfica. A irregularidade da distribuição temporal das chuvas e a degradação ambiental dos recursos naturais de uma bacia podem comprometer as reservas superficiais e subterrâneas.
O escoamento da água na superfície terrestre acontece de forma natural por linhas de drenagem superficial que são classificadas como canais naturais, e identificadas nesse cenário, por exemplo, como córregos e rios. Esse tipo de canal é caracterizado pela presença da pressão atmosférica, atuando na superfície do líquido pelo escoamento exclusivamente por ação da gravidade, e por parâmetros hidráulicos, como rugosidade das paredes e secção transversal e/ou longitudinal irregulares (PORTO, 2006).
A determinação da vazão de um rio é de suma importância para diversas atividades, pois consiste em informação básica na obtenção de outorgas para captação de água realizada por diversas atividades, tais como indústrias, abastecimento público, irrigação agrícola, dessedentação de animais, uso recreativo, gestão de bacias hidrográficas, entre outros. A vazão ou descarga de um rio é definida pelo volume de água que passa por sua secção transversal em função do tempo, sendo este valor expresso normalmente em metros cúbicos por segundo (TUCCI, 1997).
Na gestão dos recursos hídricos, a quantização da vazão é indispensável para estabelecer os parâmetros de captação. Ainda assim, muitos dos métodos de medição são relativamente onerosos, tornando difícil o monitoramento da descarga de um rio com medições frequentes, o que dificulta a obtenção de curvas chave e, consequentemente, a compreensão da dinâmica fluvial (COLLISCHONN; TASSI, 2008).
Desse modo, o monitoramento da vazão dos canais naturais é indispensável para quantificar a água em uma determinada bacia. Esse monitoramento é importante, pois as atividades desenvolvidas em bacias hidrográficas com alteração do uso e ocupação do solo interferem diretamente no regime temporal e espacial dos recursos hídricos.
Diversas metodologias podem ser aplicadas na medição de vazão, algumas mais precisas como o método do molinete, a ecosonda, o doppler acústico; outras mais simples como o método do vertedor e do flutuador. O método do vertedor exige a construção de edificações como diques e barragens, onde são instalados os vertedores, tornando-se inviáveis para rios de médio e grande porte. Já o método do flutuador emprega elementos simples na obtenção dos parâmetros utilizados e pode ser facilmente adaptado para rios de diferentes portes (CARVALHO, 2008).
O método do flutuador consiste em aplicar o princípio da conservação de massa, lei da física que estabelece que a massa não pode ser criada ou destruída. Ou seja, para um escoamento permanente a massa de fluido que atravessa duas secções distintas deve permanecer a mesma. Sendo a água um fluido incompressível, cuja massa específica se mantém constante em regime permanente, a equação da continuidade, em sua forma mais simples, exprime que o produto entre a velocidade média e a área de secção transversal deve ser proporcional à vazão para um ponto qualquer do escoamento (BAPTISTA; LARA, 2010).
Assim, com objetos utilizados como flutuador são coletados tempos de progressão em distâncias conhecidas, o que permite a determinação da velocidade média aproximada do escoamento, com auxílio da função horária de velocidade do movimento uniforme. Mediante utilização de instrumentos simples, como uma trena métrica, obtém-se a batimetria da secção transversal do rio, possibilitando o cálculo de sua área. A relação dessas grandezas aplicadas à equação da continuidade permite a estimativa da vazão do canal para a localidade estudada.
Os objetos utilizados como flutuador podem ser diversos e, em função disso, sofrer influência de fatores externos ou do próprio escoamento, o que reduz sua confiabilidade. Motivo pelo qual, esta metodologia de determinação de vazão costuma ser criticada. A utilização de coeficientes de correção pode ajustar o modelo e melhorar sua representatividade e precisão (SANTOS et al., 2001). De acordo com Palhares et al. (2007), as características do canal implicam influência no regime de velocidade do escoamento. Em regiões na superfície a velocidade é maior quando comparada com as mais profundas da secção transversal do rio, o que torna necessária a utilização de um coeficiente de correção. Desse modo, observadas as características de formação do leito do rio, o autor indica como fator de correção para rios com fundo pedregoso 0,8 e para rios com fundo em terra 0,9.
As características do flutuador também podem ser adaptadas para melhorar a representatividade da velocidade média do escoamento. A densidade e as dimensões do objeto devem ser compatíveis com a profundidade do canal, levando-se em conta objetos que melhor se ajustem ao fluxo da corrente.
Na região do estudo, o rio Piracolino atravessa o setor de chácaras do município de Vilhena/RO e, devido a essa localização, desempenha um papel significativo na economia da agricultura familiar local. Sua disponibilidade hídrica possibilita a concessão de outorgas para diversas atividades, tais como a produção irrigada de frutas, legumes e verduras, piscicultura, uso recreativo, lazer e o abastecimento de pequenas agroindústrias.
Nesse contexto, esse trabalho objetiva descrever os procedimentos práticos e teóricos empregados na obtenção da vazão de um canal fluvial natural, utilizando o método do flutuador. Ao adotar instrumentais e técnicas simples e de fácil execução, possibilita o monitoramento da vazão fluvial com baixo custo e maior frequência. O que pode contribuir para melhoria da gestão dos importantes recursos hídricos da região.
Material e métodos
O estudo foi realizado no rio Piracolino, no trecho que compreende a propriedade denominada Chácara da Amizade (estabelecimento recreativo), localizado no município de Vilhena, na mesorregião do Cone Sul do estado de Rondônia. O clima é equatorial com transição tropical, e exibe temperatura média de 24ºC, com precipitação média anual durante um período de 25 anos de 2.081 mm. A distribuição da precipitação é caracterizada por período chuvoso entre os meses de outubro e abril, com menor incidência pluviométrica no mês de julho (SEDAM, 2012).
Os procedimentos a campo começaram com a escolha de um trecho do rio com regularidade de largura. Definido esse local, instalam-se marcações transversais ao leito do rio, com auxílio de cordas esticadas entre estacas. A secção longitudinal é dada pela distância entre as secções transversais e define o deslocamento longitudinal do flutuador. Para uma melhor precisão nas medidas, recomenda-se que este comprimento seja superior a 10 metros.
A organização e disposição dos elementos que caracterizam a secção longitudinal podem ser verificadas em ilustração apresentada na Figura 1.
Figura 1 – Disposição da secção longitudinal. Adaptado de Palhares et al. (2007).
A secção longitudinal adotada para a medida de vazão cumpre os seguintes requisitos:
- Ter largura aproximadamente constante (margens paralelas), visando garantir homogeneidade nas secções transversais;
- Ser retilínea, permitindo que o flutuador desça a correnteza sem colidir com as margens do rio;
- Possuir fluxo livre de obstáculos, permitindo que o flutuador desça a correnteza desimpedido e sem interferências de raízes, troncos, plantas;
- Ter preferencialmente deslocamento igual ou superior a dez metros, com balizamento para demarcação da secção de entrada e de saída.
A escolha do flutuador depende da profundidade mínima da secção transversal do canal. O objeto escolhido deve adaptar-se ao fluxo da correnteza em, aproximadamente, dois quintos da profundidade, de modo a garantir representatividade dos parâmetros relativos à velocidade. Assim, recomenda-se a adoção dos seguintes critérios:
- As dimensões do flutuador devem ser tais que durante a descida na secção longitudinal não haja contato com o fundo do canal;
- Preferencialmente, o flutuador deve estar com 1/3 de seu volume emerso e 2/3 submerso, e manter-se na vertical durante o deslocamento.
As tomadas de tempo são realizadas com o auxílio de um cronômetro, em que o tempo de flutuação do objeto entre as marcações transversais é realizado com pelo menos dez repetições. A fim de melhorar a sincronia do flutuador com o fluxo da correnteza, o objeto deve ser abandonado a montante da secção de entrada e o tempo contado entre as secções de entrada e saída, em percursos, completamente, desimpedidos.
O levantamento dos dados batimétricos deve ser realizado para a secção de entrada e de saída, em intervalos constantes (medida horizontal), com auxílio de uma trena fixada a uma estrutura linear rígida. Para garantir a sustentação na correnteza, a profundidade deve ser aferida para cada intervalo (medida vertical).
Após a obtenção e tabulação dos dados, a velocidade pode ser determinada pela razão entre a distância percorrida pelo flutuador durante o deslocamento longitudinal e o tempo médio de flutuação, obtido nas diversas repetições de descida do objeto entre a seção superior e inferior. A correção da velocidade média pode ser realizada conforme fator proposto por Palhares et al. (2007), em que se utiliza para rios com fundo pedregoso 0,8 e para rios com fundo em terra 0,9.
Assim, o cálculo da velocidade média corrigida do escoamento é retratado pela Equação 1.
Em que:
é a velocidade média corrigida (m/s);
é a distância entre a secção de entrada e de saída (m);
é o tempo médio de flutuação (s);
é o fator de correção (adimensional).
A determinação de cada área de secção pode ser realizada de forma simples recorrendo ao método gráfico de figuras geométricas equivalentes. A área de secção transversal deve ser obtida pela média aritmética das áreas de secção de entrada e saída, conforme Equação 2 a seguir.
Em que:
é a área de secção transversal (m²);
é a área de secção de entrada (m²);
é a área de secção de saída (m²).
A organização e disposição dos elementos que caracterizam a secção transversal pode ser verificada em ilustração apresentada na Figura 2.
Figura 2 – Disposição da secção transversal. Adaptado de Palhares et al. (2007).
Por fim, a vazão do canal é determinada pelo produto da velocidade média corrigida pela área da seção transversal, conforme expresso na equação da continuidade, apresentada na Equação 3.
Em que:
é a vazão do canal (m³/s);
é a velocidade média corrigida (m/s);
é a área de secção transversal (m²).
Resultados e discussão
I. Escolha do local de medição
Dada a importância econômica local do rio Piracolino e sua conveniente localização próxima à Faculdade Marechal Rondon (FARON), o trecho do rio que compreende a Chácara da Amizade foi escolhido devido à facilidade de acesso, à colaboração dos proprietários em permitir as medições e à homogeneidade do leito do rio nessa localidade.
As medições e levantamento de dados foram realizados por docentes da FARON com o auxílio de discentes dos cursos de Agronomia e Engenharia Civil, seguindo os parâmetros técnicos abordados anteriormente nesse trabalho e garantindo as condições de segurança dos envolvidos.
A escolha do local de realização dos testes foi definida com análise local do leito do rio por caminhamento, prevalecendo o ponto em que as margens se apresentavam retas e aproximadamente paralelas. Também foram observados a vegetação das margens e outros fatores que pudessem gerar qualquer impedimento à progressão do flutuador, garantindo a inexistência de obstáculos ao movimento (STEPENUCK et al., 2024).
Definido o local, foi realizada a fixação das estacas e esticada a corda que define as secções transversais de entrada e saída. Assim, obteve-se a secção longitudinal com deslocamento definido em 15 metros, dado pela distância entre as secções transversais demarcadas (FAO, 1998).
II. Medição e coleta de dados
O flutuador escolhido foi uma garrafa pet de dois litros com dois terços de seu volume ocupado com água do próprio rio e aproximadamente 100 gramas de cascalho servindo como contrapeso, conforme ilustração apresentada na Figura 3. O contrapeso cumpriu a finalidade de manter o nivelamento da garrafa na posição vertical durante a flutuação nas tomadas de tempo (FAO, 1998; ADZHAR et al., 2023).
Figura 3 – Flutuador. Fonte: Autores (2024).
As tomadas de tempo foram realizadas com o auxílio de um cronômetro, em que o tempo de flutuação do objeto entre as marcações transversais foi realizado com dez repetições (OTHMAN et al., 2017). Para melhorar a sincronia do flutuador com o fluxo da correnteza, o objeto foi abandonado a montante da secção de entrada em cerca de 2 metros e o tempo contado entre as secções de entrada e saída em percursos completamente desimpedidos (HAUET et al., 2008; DOBRIYAL et al., 2016).
O resultado da tomada de tempo em cada repetição foi dado em segundos, arredondado para a unidade. O tempo médio de flutuação foi de 31,5 segundos, definido a partir da média aritmética das dez repetições computadas, que indicaram, respectivamente, em segundos: 35, 28, 27, 32, 31, 32, 36, 29, 32 e 33.
III. Correção da velocidade média do escoamento
A aplicação de coeficientes de correção na determinação da velocidade média do escoamento é fundamental para ajustar as estimativas às condições reais do canal, compensando variações na profundidade e no substrato do leito do rio. Alguns estudos indicam que a rugosidade do fundo do rio exerce influência significativa sobre o regime de escoamento, tornando necessária a utilização de fatores de ajuste para corrigir possíveis distorções nos valores medidos (MARJANG; MERKLEY, 2009; ZHANG et al., 2022).
Neste estudo, a velocidade média corrigida foi determinada com base na Equação 1, utilizando o fator de correção adequado às características do rio Piracolino, que possui leito predominantemente composto por sedimentos finos e substrato arenoso. Considerando essas condições, adotou-se o coeficiente de 0,9, conforme indicado no estudo hidrológico de Palhares et al. (2007). Esse procedimento permitiu uma melhor aproximação entre os valores obtidos experimentalmente e a realidade hidrodinâmica do rio, reforçando a importância da calibração dos resultados por meio de ajustes empíricos fundamentados em estudos hidrológicos consolidados.
IV. Levantamento batimétrico e determinação da área da secção
O levantamento dos dados batimétricos foi realizado para a secção de entrada e de saída em intervalos constantes na horizontal de 50 cm. Com auxílio de uma trena fixada a uma estaca de madeira, a profundidade foi aferida com medidas verticais para cada intervalo (FAO, 1980).
O resultado, organização e disposição dos dados levantados que caracterizam a secção transversal adotada para entrada e saída podem ser verificados na Figura 4.
Figura 4 – Disposição da seção transversal adotada entre as margens direita (MD) e esquerda (ME), onde (A) representa a seção de entrada e (B) a seção de saída. Fonte: Autores (2024).
A determinação da área de cada secção foi realizada atendendo ao método gráfico de figuras geométricas equivalentes, que consiste em subdividir a área total da secção em polígonos aproximados, com área dada pela soma das áreas do conjunto de polígonos equivalentes (OTHMAN et al., 2017). Assim, a área da secção de entrada foi definida em 6,31 m² e a de saída em 7,38 m², com a área de secção transversal calculada conforme a Equação 2.
De posse da velocidade média corrigida e da área de secção transversal, a vazão do canal foi calculada utilizando a equação da continuidade (Equação 3), resultando em um valor de 2,95 m³/s.
Esse valor está dentro da faixa esperada para rios de pequeno e médio porte, sendo compatível com valores relatados em estudos hidrométricos regionais (KRA; MERKLEY, 2004; KANU, 2020). Entretanto, há limitações associadas ao método do flutuador, como a influência de variações sazonais na vazão e a possibilidade de pequenas imprecisões no tempo de percurso. Para aprimorar a estimativa, recomenda-se o uso de métodos complementares, como o emprego de sensores acústicos Doppler para medição da velocidade do fluxo (FLENER et al., 2015; DOBRIYAL et al., 2016).
Conclusão
Vários estudos identificam a utilização do método do flutuador para medições de vazão fluvial em canais naturais como uma boa alternativa a métodos mais sofisticados e onerosos. A quantificação da descarga por este método não necessita de investimento financeiro elevado, o que possibilita maior frequência no monitoramento.
Os resultados apresentam, em geral, menor confiabilidade técnica em comparação a outros métodos. Contudo, é possível obter uma boa estimativa da vazão. Desse modo, a utilização desse método é recomendada apenas para canais de pequeno a médio porte, permitindo determinar a vazão de maneira razoável quando não há possibilidade de aplicar métodos mais precisos.
Conflitos de interesse
Não houve conflito de interesses dos autores.
Contribuição dos autores
João Paulo Adams – ideia original, coleta de dados, desenvolvimento metodológico, interpretação dos resultados e escrita final; Marcelo Crestani Mota – coleta de dados, interpretação dos resultados, escrita e revisão do texto; Hemerson Pablo Castro da Silva – coleta de dados e revisão do texto; Peterson da Paz – revisão do texto.
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Recebido em 26 de março de 2024
Retornado para ajustes em 29 de janeiro de 2025
Recebido com ajustes em 21 de fevereiro de 2025
Aceito em 23 de fevereiro de 2025
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