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Levantamento de cotas de inundação no HEC-RAS

Postado em: 30/12/2013 Comentários (2)

Neste artigo, apresentaremos a Formulação Matemática e o ambiente de simulação em regime de escoamento permanente do HEC-RAS. Sendo assim, ao final deste artigo você terá conhecido a Equação da Energia, Equação de perdas, profundidade crítica assim como o módulo de escoamento permanente do HEC-RAS onde inserimos as características do modelo.

Formulação Matemática:

No HEC-RAS, o nível d’água, em Regime de Escoamento Permanente, pode ser calculado a partir da solução da Equação da Energia.

formula da energia

Equação da energia

Onde:

  • Z1 e Z2 = Elevação do fundo do canal em cada seção
  • Y1 e Y2 = Nível d’água nas seções
  • V1 e V2 = Velocidade do escoamento
  • α1 e α2 = Coeficientes de Coriolis
  • g = Aceleração da gravidade
  • he = Coeficiente de perda

Na imagem abaixo, são apresentados os termos da Equação da Energia com base no perfil da superfície d’água.

termos da formula da energia

Termos da Equação da Energia.

O termo he, que representa as perdas de energia durante a propagação do escoamento, representa as perdas relacionados aos coeficientes de fricção, expansão e compressão e pode ser calculado pela equação abaixo.

formula de perda

Fórmula para calcular as perdas referentes ao escoamento.

Onde:

  • L = Comprimento do trecho
  • Sf = Declividade representativa da fricção entre as duas seções
  • C = Coeficiente de perdas relacionadas a expansão ou contração

O ambiente de Simulação de Escoamento Permanente no HEC-RAS

O HEC-RAS é um software desenvolvido pelo Corpo de Engenharia do Exército Norte Americano capaz de realizar cálculos referentes a propagação de escoamentos em regime permanente, não permanente, além de possuir módulos voltados para o cálculo de transporte de sedimentos e análise de qualidade d’água.

Para a realização de uma simulação em Regime de Escoamento Permanente, algumas informações são necessárias para que seja possível encontrar o nível d’água nas seções selecionadas. Basicamente, estas informações consistem em inserir a geometria da bacia estudada, contendo os trechos de rio, Coeficientes de Manning entre outras informações, assim como escolher o Regime do Fluxo, inserir Condições de Contorno e as vazões que serão utilizadas para o cálculo da cota de inundação.

Geometria da Bacia:

A geometria da bacia fornece ao HEC-RAS as informações referentes ao traçado do canal e formato das seções transversais, também chamadas de seções topobatimétricas. Estas informações fornecerão ao HEC-RAS a declividade do canal, área molhada da seção, perímetro molhado, Coeficiente de Rugosidade, entre outras.

Na imagem abaixo é apresentada uma típica geometria de bacia inserida no HEC-RAS para a realização de um estudo hidráulico.

bacia no hec ras

Exemplo de Geometria utilizada no HEC-RAS.

As linhas em tom vermelho apresentadas na imagem acima representam o posicionamento das seções transversais. Na imagem abaixo, mostramos uma seção transversal, conforme apresentada no HEC-RAS.

modelo de secao

Modelo de Seção inserida no HEC-RAS

Devido à importância desta etapa, a qualidade das informações obtidas para a construção da geometria é imprescindível para tornar o resultado dos cálculos referentes a cota de inundação mais confiável.

Regimes de Escoamento:

Ao realizar uma simulação em regime de escoamento permanente no HEC-RAS, o usuário deverá escolher entre as opções Regime Subcrítico, Supercrítico e Misto. A partir desta escolha, o usuário deverá especificar condições de contorno a montante, para o Regime Subcrítico, jusante para o Supercrítico e em caso da escolha do regime Misto, será necessário inserir condições de contorno a montante e jusante.

Na imagem abaixo, podemos visualizar a janela de simulação em regime de Escoamento permanente, onde podemos visualizar a opção “Flow Regime”, que permite escolher entre os regimes Subcrítico, Supercrítico e Misto.

janela de simulacao

Janela de simulação em regime de escoamento permanente no HEC-RAS

Condições de Contorno:

As condições de contorno são necessárias para estabelecer a cota de inundação ao final do sistema de rios, que pode ser considerado tanto a montante como jusante. Esta informação, referente ao nível d’água, é necessária para que o programa inicie os cálculos referentes ao escoamento.

A escolha da condição de contorno que será utilizada durante a simulação depende do nível de informações que o usuário possui, podendo escolher entre as opções, “Nível d’agua conhecido”, “Profundidade Crítica”, “Declividade da Linha de Energia” e “Curva Chave”, sendo a declividade da linha de energia a mais fácil de ser obtida, já que pode ser considerada igual ao valor da declividade do fundo do canal.

Vale ressaltar também que a “Profundidade Crítica” é obtida automaticamente, a partir do modelo inserido. Abaixo apresentamos o método que o HEC-RAS utiliza para calcular esta condição de contorno.

eq da profundidade critica

Equação da Profundidade Crítica.

Onde:

  • H = Profundidade Crítica
  • WS = Nível d’agua
  • V = Velocidade do escoamento

A partir da equação acima, o HEC-RAS realiza algumas interações até o momento em que encontra o valor mínimo de energia para aquela seção. A profundidade crítica corresponde ao valor de nível d’água para o qual a energia é mínima na seção.

Veja abaixo a janela do HEC-RAS contendo as opções de condições de contorno para o regime de Escoamento Permanente, onde é possível visualizar a escolha de duas condições de contorno para as seções a montante e a jusante.

condicoes de contorno do escoamento permanente

Condições de contorno do Escoamento Permanente no HEC-RAS.

Vazões iniciais:

Por fim, o usuário deverá inserir os valores de vazão que serão utilizadas durante a simulação de escoamento no HEC-RAS, para isso, ele deverá, no mínimo, inserir um valor de vazão para a seção a montante de cada trecho que será simulado. Isso se deve ao fato de o Escoamento Permanente considerar esta vazão como constante para as demais seções, caso o usuário deseje inserir outros valores de vazão, o HEC-RAS irá considerar cada valor inserido como constante em um determinado trecho.

Na imagem abaixo, apresentamos a janela de inserção de dados referentes ao escoamento em Regime Permanente, onde é possível visualizar a utilização de três valores diferentes de vazão para a mesma seção.

Edição de dados referentes a vazão do escoamento permanente

Edição de dados referentes a vazão do escoamento permanente

Com isso, finalizamos este artigo onde apresentamos a formulação matemática do escoamento permanente no HEC-RAS 4.1. Caso tenha ficado alguma dúvida não deixe de visitar nossa comunidade de Perguntas e Respostas do CADguru, onde vocês poderão interagir com outros usuários e com os autores do portal.

Até a próxima!

Sobre o autor:

Rafael Colucci Professor universitário, iniciou seus estudos envolvendo o AutoCAD nos meados de 2001 ainda na versão R14, vindo a conhecer o Civil 3D em 2010, utilizando o como ferramenta para elaboração de projetos necessários em sua dissertação de Mestrado. Desde então é um profundo apaixonado deste software, tendo trabalhado em projetos de Estudos Ambientais e Rompimento de barragens (DAMBREAK).
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  1. Maelson em 06/02/2015:

    Ola gostaria de receber um dvd com esse curso e gostaria de adquirir os progamas

    Responder

Comentários (2):