E7 Hidráulica de Rios e Canais

Tópico

A hidráulica de rios e canais descreve o fluxo de água em um canal livre, ou seja, com uma superfície livre em contato direto com a atmosfera, sob a ação da gravidade.

As equações de Saint-Venant, já mencionadas na discussão sobre cheias e modelagem hidrológica, são as equações fundamentais desse fluxo em canais: elas combinam uma equação da continuidade, que expressa a conservação da massa de água, com uma equação do momento, em uma única dimensão ao longo do canal; juntas, descrevem tanto a propagação das ondas de cheia quanto o enchimento e esvaziamento de vales inundados, bem como a morfologia do fluxo dentro do próprio canal.

O número de Froude, definido como a razão entre a velocidade do fluxo e a velocidade com que uma onda de superfície de pequena amplitude se propaga nesse mesmo fluxo, determina o regime de escoamento: quando essa razão é menor que um, o fluxo é subcrítico e as condições a jusante controlam seu comportamento; quando essa razão é igual a um, o fluxo é crítico. E quando essa razão é maior que um, o fluxo é supercrítico e, nesse caso, são as condições a montante que o controlam. A maior parte do fluxo observado em rios naturais é, na verdade, subcrítica.

A fórmula de Manning relaciona a velocidade média do fluxo com a geometria do canal, sua declividade e sua rugosidade: essa velocidade média aumenta com o raio hidráulico do canal elevado a dois terços, também aumenta com a raiz quadrada da declividade do canal e diminui inversamente com um coeficiente de rugosidade específico para cada canal, que é maior quanto mais rugoso for o leito e as paredes do canal.

A geometria hidráulica, por sua vez, descreve como a largura, a profundidade e a velocidade de um rio se relacionam com a vazão, tanto em um único ponto do canal ao longo do tempo quanto ao longo de todo o canal, de uma extremidade à outra. As relações de Leopold e Maddock mostram que cada uma dessas três variáveis ​​aumenta de acordo com sua própria potência em relação ao fluxo, e que a soma dessas três potências é sempre igual a um. Isso significa que todo o aumento da vazão é distribuído, sem qualquer excesso ou falta, entre o alargamento, o aprofundamento e a aceleração do rio.

Meandros também são o padrão de canal mais comum em rios de baixa declividade que transportam uma carga sedimentar mista, e o comprimento de onda desses meandros é proporcional à largura do canal, sendo aproximadamente onze vezes essa largura. O comportamento esperado de todo esse sistema inclui uma onda de cheia que se propaga rio abaixo a uma velocidade maior que a velocidade média da corrente que a transporta. Assim, desde a vazão de superfície livre com a qual este documento começa até essa onda de cheia mais rápida que a vazão com a qual ele termina, passando pelo número de Froude, a fórmula de Manning e a geometria hidráulica, a hidráulica de rios e canais significa que a própria forma de um rio — sua largura, sua profundidade, sua velocidade e seus meandros — é determinada pela vazão que o rio transporta.

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