GRUPO DE TRABAJO SOBRE HIDROMECÁNICA
11 a 14 de mayo 1999
5ª Reunión
Montevideo - Uruguay
O USO DO ADCP EM PEQUENOS E MÉDIOS CURSOS D’ÁGUA
Geraldo Lúcio Tiago Filho
Augusto Nelson Carvalho Viana
Geysa Tibúrcio Caetano
Ricardo Matheus R. M. dos Santos
Escola Federal de Engenharia de Itajubá - EFEI
RESUMO
A implantação e operacionalização de uma rede hidrológica prescinde da instalação de
uma rede de postos fluviométricos que possam gerar dados confiáveis obtidos de uma “curva
chave”, que é levantada através de uma série de medidas de vazões efetuadas na seção do
posto. Normalmente, para medição dessas vazões, utiliza-se de molinetes e outros tipos de
fluxômetros. São métodos bastante conhecidos e aplicados, entretanto, na execução
demandam tempo, conhecimentos e habilidades técnicas, sem os quais podem gerar dados que
não condizem com o real.
Uma maneira de acelerar o processo é o uso de métodos e dispositivos automatizados,
como é o caso do Acoustic Doppler Current Profiler – ADCP, que mede a vazão
automaticamente por meio acústico do efeito Doppler. Entretanto, o seu uso está restrito aos
grandes cursos d’água. O presente trabalho apresenta uma proposta para estudos que têm
como objetivo verificar a adequabilidade desse tipo de dispositivo para medição de vazão em
pequenos e médios cursos d’água.
INTRODUÇÃO
Os recursos hídricos existentes no Brasil são abundantes, mas distribuídos de maneira
desigual, havendo maior concentração na região Amazônica. Entretanto, no restante do país
existe um considerável potencial hídrico distribuído em grandes bacias, formadas
principalmente por pequenos e médios cursos d’água. A preservação destes recursos é uma
necessidade, principalmente onde eles são mais escassos. A otimização dos sistemas de
aproveitamento depende de planejamento, de estudos e principalmente do conhecimento das
reais características das bacias. Por isso, é muito importante o estudo de postos
fluviométricos, através de medições periódicas de vazão, para as quais se utilizam,
geralmente, métodos convencionais, que são bastante conhecidos e aplicados, mas necessitam
de tempo e conhecimentos técnicos para sua execução.
O uso de métodos e dispositivos automatizados, como o Acoustic Doppler Current
Profiler – ADCP, que mede a vazão automaticamente por meio do efeito Doppler, pode ser
muito útil, agilizando este processo. Esta proposta para estudos tem o objetivo de verificar a
confiabilidade do ADCP para uso em pequenos e médios cursos d’água.
OBJETIVOS
Este trabalho tem como objetivo desenvolver uma metodologia de medição de vazão
em pequenos e médios cursos d’água, utilizando-se do equipamento denominado ADCP –
“Acoustic Doppler Current Profiler”, ou seja, correntômetro acústico de efeito Doppler,
verificando a sua adequabilidade para as condições impostas.
O artigo descreve o ADCP, o programa que calcula a vazão de dados de velocidade
fornecidos por ele e a metodologia a ser utilizada.
O ADCP E SEU PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO
O ADCP - Acoustic Doppler Current Profiler, ou Correntômetro Acústico de Efeito
Doppler, é um aparelho utilizado para medir a vazão dos cursos d’água através do efeito
“Doppler”. Ele também pode ser utilizado para medir o seu movimento com relação ao fundo
do rio e a distribuição dos sedimentos em suspensão na seção de medição.
É um instrumento que transmite ondas sonoras através da água. As partículas
transportadas pela corrente de água refletem o som de volta para o instrumento que percebe o
eco através de sensores, fazendo com que ele reconheça as diferentes profundidades e as
velocidades das respectivas linhas de corrente através do efeito Doppler. O ADCP pode
utilizar diferentes freqüências para emitir o som, tais como: 75, 150, 300, 600, 1.200 e 2.400
kHz, dependendo do modelo.
O efeito Doppler refere-se à mudança de freqüência do sinal transmitido pelo sonar,
causada pelo movimento relativo entre o aparelho e o material em suspensão da água sob a
ação do feixe das ondas sonoras. Como o material em suspensão se desloca na mesma
velocidade da corrente de água, a magnitude do efeito Doppler é diretamente proporcional à
essa velocidade. Medindo-se a freqüência dos ecos que retornam do material em suspensão e
comparando-a com a freqüência do som emitido, o ADCP determina a velocidade da partícula
que é a mesma da corrente da água (figura 2).
Fig. 1 - Técnica típica de uso do ADCP.
Fig. 2 - Mudança de freqüência causada pelo efeito Doppler.
O efeito Doppler é direcional. Qualquer mudança de freqüência corresponde a uma
componente de velocidade ao longo da direção do transdutor (emissor/receptor). As
velocidades perpendiculares à direção do transdutor não produzem nenhum efeito Doppler.
Os feixes sonoros do ADCP (figura 3) medem duas componentes do vetor da corrente
de água. Como elas não estão na mesma direção, podem ser transformadas em dois vetores
ortogonais (horizontal e vertical). Um segundo par de feixes sonoros, girados de 90º graus do
primeiro par, gera outro conjunto de vetores, totalizando três vetores ortogonais (x, y, z), que
são as três componentes do vetor velocidade da corrente (u, v, w).
Fig. 3 - Geometria dos feixes sonoros do ADCP.
O ADCP também está habilitado para levantar o perfil de velocidades da água ao
longo da seção. Isto é feito por canais que analisam os sinais de retorno.
Com efeito, os transdutores (emissor/receptor) são intercambiados de tempos em
tempos, a intervalos regulares, de acordo com os tempos de retorno dos ecos na água. Este
processo de distribuição dos registros dos ecos refere-se às seções distintas da coluna de água,
conhecidas como células de profundidade (figura 2). Então, a distribuição das componentes
das velocidades medidas para diferentes células de profundidade gera o perfil de velocidades.
Para funcionar corretamente, o ADCP tem que determinar com precisão os ganhos do
efeito Doppler do eco. Há várias maneiras de processar um sinal para esta mudança de
freqüência, como o uso de Transformadas Rápidas de Fourier e da Autocovariância.
Os sonares Doppler de simples pulso, transmitem um pequeno pulso de som à uma
freqüência fixa (Ft) na água, ao longo de um feixe acústico estreito. Estes sonares recebem
primeiro o reflexo que ecoa na água e depois no fundo. Esses ecos têm uma freqüência
Doppler diferenciada (Fd), causada pelo movimento relativo entre o sonar
(transmissor/receptor) do ADCP e o material difundido.
Os ecos refletidos têm um espectro de largura de banda diferente de zero, centrado em
Fd. A razão dominante para a largura de banda é o comprimento do pulso transmitido.
Como a pulsação é enviada pela água, o eco recebido, a qualquer instante, é a soma
dos ecos individuais das partículas em suspensão atingidas pela pulsação. Na figura 4, podese observar que um pulso enviado, ao atingir duas partículas em suspensão na água com
velocidade V, relativa ao ADCP, é devolvido de maneira diferente por cada partícula. Pela
figura, observa-se que: as intensidades diminuem (nem toda energia é devolvida); as
pulsações de retorno são comprimidas devido ao efeito Doppler; e as fases das duas pulsações
de retorno são diferentes.
Fig. 4 - Eco retornado de duas partículas
em suspensão.
Fig. 5 - Modulação versus tempo de
plotagem para muitas partículas.
No caso de muitas partículas dissolvidas, cada uma terá a pulsação refletida com fase
diferente. Estas diferentes fases e amplitudes produzem um registro, como mostrado na figura
5. Como os pulsos percorrem a coluna de água, ocorre uma mudança contínua na modulação
porque eles detectam a presença de novas partículas que refletem ecos de uma nova fase de
informações, diferente da fase das partículas anteriores que deixaram o feixe de som,
causando uma diminuição na correlação dos sinais.
A correlação é a comparação do sinal de retorno de uma pulsação com ela mesma. Isso
permite deduzir a freqüência da pulsação de retorno.
Pode-se ver a correlação como dois instantâneos separados por um tempo t. No
instante t = 0, os dois instantâneos são os mesmos e a correlação está perfeita, assim como o
sinal de retorno vindo do conjunto de partículas. Com o aumento de t, os dois instantâneos
assumem posições diferentes (o pulso se moveu na água). Agora a informação de fase é
diferente por duas razões: o conjunto partículas se moveu completamente por causa da
velocidade da corrente da água, e novas partículas entraram no volume da pulsação, enquanto
as outras o deixaram. Assim a correlação é menos perfeita.
A mudança de fase causada pelo movimento das partículas, dividida pelo tempo entre
os dois instantâneos, fornece a freqüência do efeito Doppler. As causas dessa mudança de
fase são: a obtenção de mais informação e as incertezas na estimativa das freqüências,
produzidas pela componente de ruído dos sinais, que são associadas com cada medida de
velocidade.
Uma pulsação mais longa reduz este erro do acaso, porque o volume das novas
partículas em suspensão é uma porcentagem menor do que o volume total de pulso. Se a
pulsação transmitida é longa o suficiente para detectar complemente o fundo (que
normalmente é o caso), as mesmas partículas com as mesmas amplitudes e fases dominarão o
eco recebido, combinando-se no receptor para produzir uma amplitude de eco
aproximadamente constante e um gráfico fase versus tempo. É essa reflexão com o espelho do
fundo que gera um eco semelhante para o sinal de retorno das partículas dissolvidas; o
registro do eco é senoidal. Isso significa que aquelas estimativas das velocidades de fundo são
mais precisas que para a água. A redução em erro fortuito é proporcional à raiz quadrada do
número destas medidas independentes.
Algoritmo de medição de vazão
Segundo Simpson e Oltmann (1993), um algoritmo para processamento de vazão no
ADCP, a partir do perfil de velocidade da água e dados de trajetória de fundo, foi
desenvolvido por K.L. Deines para testes no Rio Mississippi, em 1982. Uma vantagem deste
algoritmo de medição é que não há necessidade de que o barco percorra uma trajetória em
linha reta. Ele pode atravessar um rio ao longo de qualquer trajetória arbitrária e ainda coletar
uma medição precisa de vazão.
A equação geral para determinação de vazão do rio através de uma superfície
arbitrária s é
Qt = ∫s Vf . n ds
(1)
onde: Qt = descarga total do rio; Vf = vetor velocidade média da água; n = vetor unidade
normal a ds para um ponto genérico; e ds = diferencial de área.
Para medições com barco em movimento, a área s é definida pela superfície vertical
sob a trajetória percorrida pelo barco. O produto de Vf . n será igual a zero quando o barco
estiver se movendo contra ou a favor da corrente e será igual a |Vf | quando o barco estiver se
movendo perpendicularmente à corrente (ambos os vetores estão no plano horizontal).
Como o ADCP fornece dados de velocidade do barco e da água no sistema de
coordenadas do barco, é conveniente reformular a equação 1 (de Christensen e Herrick,
1982):
Td
Qt = ∫0 ∫0 ( Vf . Vb ) k dz dt
(2)
onde: T = tempo total da travessia da seção; d = profundidade total; Vb = vetor velocidade
média do barco; k = vetor unitário na direção vertical, dz = diferencial vertical de
profundidade, e dt = diferencial de tempo.
Convertendo ( Vf . Vb ) . k em coordenadas retangulares, tem-se
Vf = a1 i + a2 j ; Vb = b1 i + b2 j,
e então
(Vf . Vb ) . k = a1 b2 - a2 b1,
(3)
onde: a1 = componente do vetor velocidade média da água na direção i; a2 = componente
do vetor velocidade média da água na direção j; b1 = componente do vetor velocidade
média do barco na direção i, b2 = componente do vetor velocidade média do barco na
direção j; i = vetor unitário na direção i; e j = vetor unitário na direção j.
Assumimos f = a1 b2 - a2 b1.
O ADCP fornece dados de velocidade em coordenadas relativas ao barco e à terra. O
sistema de coordenadas também pode ser usado para processar a vazão enquanto as
velocidades da água e do barco são descritas no mesmo sistema. Na prática, a integral da
vazão é aproximadamente a soma de muitas seções de medição. A equação fica com a forma
Ns di
Qm = ∑ [∫0 fi dz ] ti,
(4)
i=1
onde: Qm = vazão medida no canal; Ns = número de subseções de medição; i = índice para a
subseção; di = profundidade da subseção; fi = valor de f integrado para a subseção i,
dz = diferencial vertical de profundidade da subseção i; e ti = tempo decorrido entre os
finais das subseções i e i -1.
QUANDO E PORQUÊ USAR UM ADCP
O uso do ADCP se justifica em situações que apresentem dificuldades para o trabalho
com métodos tradicionais, como: grandes rios, períodos de cheia, seções descontínuas, etc.
As vantagens do uso do ADCP são: maior quantidade e qualidade de dados; maior
precisão (erro da ordem de 5%); medição em tempo real; alta taxa de reprodutibilidade; mais
rápido que métodos convencionais; pode ser usado em grandes e pequenos rios; exige menos
mão-de-obra; não necessita alinhamento, corrige desvios de rota em seções descontínuas; é
possível estimar o movimento do sedimento de fundo; e boa correlação com métodos antigos.
As limitações quanto ao uso do ADCP em grandes, médios ou pequenos cursos d’água
dependem da freqüência do aparelho e da quantidade de células de profundidade que ele pode
discriminar. Quanto menor for a profundidade do curso d’água, maior deve ser a freqüência
do instrumento. Além destas, as outras limitações são: custo (varia de US$ 26,000.00 a
US$ 60,000.00); equipamento sensível; embarcação deve ser de material que não cause
interferência magnética; e dificuldades na manutenção.
BANCADA DE TESTES
Para a validação da metodologia de medição de vazão em pequenos e médios cursos
d’água com o uso do ADCP, prevê-se a sua instalação em uma bancada de testes a se
constituir em uma central hidrelétrica, dotada de um canal de adução, item A da figura 6, com
seção de 2,0 x 2,4 m, onde pode-se medir vazões de até 8 m3/s. Os resultados obtidos serão
comparados com os fornecidos pelos métodos clássicos, do molinete, instalado no mesmo
canal, item 2 da figura 6, e do vertedouro, construído no canal de fuga, item 4 da figura 6, e
com os resultados medidos com um ultra-som, instalado no conduto forçado da mesma
central, item 3 da figura 6. Também será utilizado um posto fluviométrico a jusante da
barragem para medições com o ADCP e o molinete.
Fig. 6 - Bancada para testes do ADCP em um canal de adução.
RESULTADOS ESPERADOS
As contribuições esperadas deste trabalho, são: mostrar a viabilidade do uso da
metodologia do ADCP para pequenos e médios cursos d’água; determinar a precisão da
metodologia empregada; acelerar o processo de determinação de vazões; e diminuir o tempo e
o custo no estudo básico de pequenas centrais hidrelétricas.
Os produtos finais serão a elaboração e a comprovação de uma metodologia
automatizada para medição de vazão em pequenos e médios cursos d’água.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
_______ III Curso Internacional sobre técnicas de medição de descarga líquida em grandes
rios, Manaus/Manacapuru-AM, DNAEE/CGRH – ORSTOM, 1997.
_______ RD Instruments, Direct-Reading Broadband Acoustic Doppler Current Profiler –
Technical Manual, 1992.
Simpson, M.R. e Oltmann R.N., Discharge-Measurement System Using an Acoustic Doppler
Current Profiler with Applications to Large Rivers and Estuaries - United States
Geological Survey Water-Supply Paper 2395, 1993.