Produção de sedimentos em taludes da margem direita do Baixo São
Francisco - SE, submetidos a diferentes técnicas de Engenharia Natural em
Resumo
A construção de barragens e a regularização da vazão do rio São Francisco alteraram o regime hidrossedimentológico desse ecossistema, trazendo vulnerabilidade aos taludes com ocorrência de processos erosivos. Para controlar esses impactos, técnicas de Engenharia Natural, surgem como alternativa para conter o avanço da erosão e diminuir o carreamento de sedimentos para o canal do rio. O objetivo desse trabalho foi avaliar o aporte de sedimentos em suspensão no canal do Rio São Francisco, considerando um trecho da margem direita submetida a diferentes técnicas de Engenharia Natural. Foi avaliada a produção de sedimentos no período de 03 anos (2013, 2014 e 2015) a 20, 40 e 60% de profundidade do canal, em cinco diferentes transectos, orientados pela presença ou ausência de técnicas de controle de erosão, assim identificados: 1- Talude Vegetado; 2- Enrocamento Vegetado; 3- Talude Erodido; 4- Parede Krainer; e 5- Cordão de Vetiver, sendo que em três trechos da margem (2, 4 e 5) foram implantadas técnicas de Engenharia Natural. A produção de sedimentos apresentou-se diferente nos cinco tratamentos, sendo que o Talude Erodido a 20% de profundidade apresentou o menor aporte de sedimentos em suspensão. Quando comparada a eficiência das técnicas de engenharia natural o Enrocamento Vegetado foi o que apresentou menor aporte de Sedimentos em suspensão. A forte presença de macrófitas aquáticas, na margem do rio, contribuiu para a proteção da base dos taludes por dissipar a energia do fluxo e refluxo das ondas. Houve um decréscimo progressivo na quantidade total de sedimentos em suspensão na comparação dos períodos avaliados, devido não só à redução da vazão do rio mas também pela proteção conferida pelas técnicas de controle de erosão adotadas.
Palavras-chave: erosão, talude fluvial, Sedimentos em suspensão.
Abstract
The construction of hydro electrical power dams in order to regulate the São Francisco river discharge, also changed the ecosystem hydro sedimentlogical regime, bringing slope vulnerability leading to riverbank erosion. To control those impacts, soil bioengineering techniques comes as an alternative to slope stabilization, controlling bank erosion and decreasing the sediments transport as well. The objective of this study was to evaluate the suspended sediments load in the São Francisco River channel, whereas a section of the right bank under different soil bioengineering techniques. Suspended sediment load was evaluated in a 03 years period (2013, 2014 and 2015) in the 20, 40 and 60% channel depth in five different transects oriented by the presence or absence of erosion control techniques, identified as follows: 1- Vegetated Slope; 2- Vegetated Riprap; 3- Eroded Slope; 4- Cribwall; and 5- Vetiver grass Line, considering three of them (2, 4 and 5) with soil bioengineering techniques. The suspended sediment load were different in five treatments, and the Eroded Slope in 20% depth had the lowest contribution of suspended sediment and the Vegetated Riprap with the lower suspended sediment load rate when compared to other biotechniques. The strong presence of aquatic macrophytes in the riverbank toe contributed to its protection by dissipating the energy of the ebb and flow of the waves. There was a progressive decrease in the total suspended sediment load throughout the evaluated period; due not only to reduced river discharge and the protection provided by adopted the erosion control techniques.
Introdução
A interferência humana sobre o regime hidrológico, por meio de alterações promovidas no canal do rio e na forma de uso e ocupação do solo da própria bacia hidrográfica (BENÍTEZ-MORA e CAMARGO, 2014) pode descaracterizar o fluxo de sedimentos, que naturalmente é controlado por fatores hidroclimáticos e geomorfológicos (GAY et al., 2014).
O transporte de sedimentos em suspensão é um fator natural que está relacionado com as taxas de erosão, e esta, por sua vez, é influenciada por fatores climáticos, como também pelas próprias atividades antropogênicas (DUTU et al., 2014; ESTRANY et al., 2009). A regularização da vazão de um rio, por meio da construção de barragens, é uma medida de controle sobre o fluxo hídrico dos cursos d’água, evitando enchentes e garantindo reserva de água ao longo de um determinado período de tempo, entretanto, é ao mesmo tempo, responsável também por alterar o regime sedimentar do ecossistema (DANG et al., 2010). As características de vazão de um rio desempenham um papel crucial na formação e manutenção da morfologia do canal do rio e no fluxo de transporte de sedimentos (SIMON et al., 2004; CROWDER e KNAPP, 2005; LENZI et al., 2006).
As alterações hidrossedimentológicas não são uma característica exclusiva do Rio São Francisco, este é um problema global que atinge rios de grande porte em todo mundo e que também tiveram suas características geomorfológicas alteradas ao longo do seu curso, o que igualmente descaracterizou o carreamento de sedimentos em suspensão até sua foz (DAI e LIU, 2013; DUTU et al., 2014).
A dinâmica natural de um rio abrange os aspectos de qualidade e fluxo da água, bem como os processos ecológicos e geomorfológicos, levando em consideração os processos erosivos que atuam ao longo da bacia hidrográfica (FLORSHEIM et al., 2008; COLLINS e ANTHONY, 2008).
A erosão da margem do rio é resultante da relação entre os processos erosivos e o abaixamento da sua cota, que expõe a base dos taludes à inversão do fluxo hidráulico, e como o Rio São Francisco possui seu sistema hidrológico alterado devido as construções de barragens, as concentrações e os fluxos de materiais em suspensão estão diretamente relacionadas com a sua vazão (HOLANDA et al., 2007, 2008; MEDEIROS et al., 2011). O abaixamento da cota do rio, expondo os taludes e suas margens ao fluxo e refluxo das ondas pode agravar e acelerar o transporte de partículas do solo. Esta exposição desencadeia processos erosivos na forma de desmoronamento de grandes blocos e, por consequência, o carreamento de sedimentos para o rio (MEDEIROS et al., 2007; HOLANDA et al., 2008).
Os taludes da margem do Rio São Francisco no seu baixo curso vêm sofrendo alterações, em virtude do represamento das águas utilizadas para geração de energia montante. A vazão do rio, a jusante dessas barragens, é controlada, descaracterizando o fluxo natural de sedimentos, bem como as características bióticas e abióticas (MEDEIROS et al., 2011). Devido a essa regularização, a quantidade de material carreado em suspensão diminuiu, pois grande parte dos sedimentos fica depositado nas barragens. Essa problemática também é observada em outros rios de grande porte (DANG et al., 2010).
A baixa produção de sedimentos no Baixo São Francisco (BSF) é decorrente tanto da diminuição da vazão que alcança aquele trecho da bacia hidrográfica, quanto da erosão local de suas margens, que é intensificada por ações antrópicas, tais como a ocupação irregular das margens e retirada da vegetação ciliar para ampliação das áreas agricultáveis (MEDEIROS et
al., 2007), fatores estes que aceleram os processos erosivos, descaracterizando a morfologia
do canal do rio. Além dos prejuízos para o ecossistema aquático, a produção de sedimentos decorrente da erosão, afeta diretamente as comunidades ribeirinhas, pois o assoreamento do rio diminui as áreas para navegação, a disponibilidade de peixes, e de causa se reverte em efeito, levando à redução de áreas agricultáveis (HOLANDA et al., 2010).
A fim de promover a mitigação de problemas de erosão de encostas e margens de rios, tem se empregado técnicas de Engenharia Natural, que utiliza nas suas obras uma mescla de materiais inertes como rochas, pedaços de madeiras e mantas sintéticas fotodegradáveis, com materiais biológicos como mudas de plantas arbustivas e de gramíneas, além de estacas, sementes etc. (MACHADO et al., 2015; STOKES et al., 2010).
A eficiência das técnicas adotadas no controle de erosão pode variar em função da feição dos taludes a serem estabilizados, assim como da dinâmica natural dos rios. As técnicas mais difundidas e utilizadas nas pesquisas são o Enrocamento vegetado, Parede Krainer, feixes vivos, camadas de arbustos, estacas vivas, bermalongas ou retentores de sedimentos e mantas de arbustos (LI e EDDLEMAN, 2002; ARAÚJO-FILHO et al., 2013). A adoção destas medidas promove a diminuição nas taxas de erosão e sedimentação e resulta ainda na recuperação da cobertura vegetal e proteção das margens e taludes (HOLANDA et al., 2009; DURLO e SUTILI, 2012; RIBEIRO et al., 2013).
O objetivo desse trabalho foi avaliar o aporte de sedimentos em suspensão no canal do Rio São Francisco, considerando um trecho da margem direita submetida a diferentes técnicas de Engenharia Natural.
Materiais e Métodos
Área de estudo
Esse estudo foi realizado às margens do Rio São Francisco, no município de Amparo de São Francisco (coordenadas UTM N = 8.868.789,506 e E = 736.583,864) (Figura 1). De acordo com Holanda (2000), trata-se de um talude em área ocupada por Neossolo Flúvico, que apresenta camadas de solo predominantemente arenosas.
FIGURA 1. Localização da área de estudo. Município de Amparo de São
Francisco – SE
Fonte: FONTES, 2016.
O clima da região, de acordo com a classificação de Köppen, é do tipo As (clima tropical, com duas estações bem definidas, verão seco e inverno chuvoso), onde as maiores precipitações pluviométricas ocorrem entre os meses de abril a setembro (744 mm.ano-1), com uma temperatura média anual de 25ºC, e uma vegetação caracterizada como Floresta Estacional Semidecidual (IBGE, 2015).
Coleta, Processamento e Análise dos Dados
Para compreensão do aporte de sedimentos em suspensão foram realizadas coletas de sedimentos nos anos de 2013, 2014 e 2015, em cinco (05) transectos no canal do rio, que se iniciaram na margem direita em pontos compreendidos como diferentes tratamentos: A- Talude Vegetado, B- Enrocamento Vegetado, C- Talude Erodido, D- Parede Krainer e E- Cordão de Vetiver). Cada transecto foi traçado, partindo da margem do rio até a barra arenosa do lado oposto de cada tratamento (Figura 2).
FIGURA 2: Representação dos pontos de coletas de sedimentos na área
experimental ao longo da margem direita do Rio.
Dentre os tratamentos avaliados, três deles, B, D e E se iniciaram em trecho da margem onde foram implantadas técnicas de Engenharia Natural, e os demais (A e C) representam trechos de talude vegetado e estável (A) e talude em processo erosivo (C), considerados como testemunhas.
Foi realizado o georreferenciamento de cada tratamento utilizando-se o GPS Garmin eTrex Vista HCx, bem como de todos transecto, sendo estes delimitados com o auxílio de um nível ótico modelo Geodetic_Arise, bússola e estacas para a marcação do início e final de cada transecto, possibilitando assim a orientação correta para a realização das coletas. A medição da batimetria ou perfil transversal do canal do rio, foi executada segundo a orientação de cada transecto, utilizando-se o ecobatímetro Eagle_cuda 242, medindo-se a profundidade do canal no período de 2013 a 2015.
A coleta de sedimentos em suspensão foi realizada em cinco pontos diferentes ao longo de cada transecto (P1 = margem do tratamento, P2 = início do talvegue, P3 = meio do
talvegue, P4 = fim do talvegue e P5 = margem na barra arenosa) a 20, 40 e 60% de profundidade (Figura 3). Em alguns trechos da margem que apresentavam forte presença de macrófitas, não foi possível realizar essa coleta. Para contornar esse problema, foi então realizada uma coleta em pontos localizados anteriores à ocorrência da densa vegetação e outra após, na direção estabelecida pelo transecto e nas três profundidades pré-determinadas
FIGURA 3. Representação dos pontos de coletas: (P1 = margem direita, P2 = antes
do talvegue, margem direita, P3 = meio do talvegue, P4 = antes do talvegue, margem esquerda e P5 = margem na barra arenosa, margem esquerda).
A coleta das amostras de água com os sedimentos em suspensão foi realizada por meio da Garrafa de Van Dorn e fita métrica (para a delimitação da profundidade correta da coleta), sendo as amostras em seguida acondicionadas em garrafas de polietileno de 1L, devidamente identificadas e armazenadas em caixas térmicas com gelo, a fim de evitar o desenvolvimento de algas. Posteriormente, foram armazenadas em geladeira no laboratório, para a realização de análises de concentração de sedimentos (CARVALHO 1994).
Em tempos depois, foram armazenadas em geladeira no Laboratório de Erosão e Sedimentação – LABES da Universidade Federal de Sergipe – UFS, para a realização de análises de concentração de sedimentos, cujas amostras de água e sedimentos coletadas foram homogeneizadas e, delas, foram retiradas sub-amostras (alíquota) de 100 ml, em três repetições de cada e colocadas em frascos de vidro, devidamente identificados, pesados em balança de precisão e colocados em bandejas de alumínio. Em seguida, foram cobertos com papel alumínio e levados à estufa com temperatura de 105±2°C para evaporação total da água (adaptado de WETZEL e LIKENS, 1991).
Antes de colocar as amostras nos frascos de vidro, estes foram cuidadosamente lavados com água destilada, e colocados em estufa para secagem em temperatura de 105±2°C, sendo, posteriormente, pesados em balança de precisão. Após a comprovada evaporação da
água, os frascos foram retirados da estufa para resfriarem, e em seguida pesados (adaptado de CARVALHO (1994)).
A quantidade de Sedimento em Suspensão (SS) para cada repetição foi calculada pela diferença entre o peso do frasco com os sedimentos e o peso do frasco sem sedimentos, sendo obtida a média das três repetições posteriormente. Em seguida, foi calculado o sedimento total em suspensão, a partir da relação com a vazão do rio em cada ponto amostral pela Equação proposta por Carvalho (2007):
Sedimento Total Suspenso (g/dia) = 86400 x Q x C, (Eq. 1) Onde:
Q = vazão (m3/s);
C = concentração em mg/L; e 86400 = segundos totais em 24 horas, Logo em seguida, os resultados foram convertidos em toneladas por dia.
Foi realizada a caracterização da textura do solo do talude por meio da coleta de amostras de solo em campo e posterior análises em laboratório. A coleta foi realizada em três profundidades (0-20, 20-40 e 40-60cm). A análise granulométrica por densimetria foi realizada conforme os princípios propostos por Bouyoucos (1951) e descritos pela NBR 7181/84 (ABNT, 1984), com a utilização de um densímetro de bulbo simétrico (densímetro de Bouyoucos) graduado de 0,995 a 1,050. Tabulados, os dados foram avaliados pelo triângulo textural, quando foi possível a classificação das manchas de solo.
Os dados foram sistematizados em planilhas e submetidos à análise de variância para determinar a significância em nível de 5% (Teste F) pelo Teste de Tukey, utilizando o programa estatístico SISVAR (FERREIRA, 2011).
Resultados e Discussão
O Talude da margem direita do Rio São Francisco, no trecho avaliado, apresenta textura com variabilidade tanto vertical como horizontal, como se espera de um Neossolo Flúvico (Figura 4). A depender da posição na extensão do talude, observou-se predominância de areia ou argila, possibilitando maior ou menor susceptibilidade ao arraste de partículas, condição está associada também ao tipo de proteção de base do talude.
FIGURA 4. Representação esquemática da textura na área experimental, nas três
profundidades (0-20, 20-40 e 40-60 cm) do Neossolo Flúvico.
A variabilidade textural observada, com expressiva presença de sedimentos mais finos como argila e silte, trazendo maior coesão ao solo, tem possibilitado uma maior dificuldade ao arraste das partículas, ou erosão, levando a uma menor turbidez da água na base do talude.
Em tempo, a variação granulométrica está associada ao grau de preservação das margens ao longo dos rios (BRITO et al., 2009), como também à profundidade da análise (D’AQUINO et al., 2011), do período hidrológico do rio em função da maior ou menor vazão (VILLAR et al., 2013) e das características da própria bacia hidrográfica (SHERRIFF et al., 2015).
Os tratamentos, ou pontos iniciais dos transectos na margem direita foram: O tratamento “A” denominado como Talude Vegetado, se apresenta como uma área recoberta com vegetação nativa e grande presença de macrófitas aquáticas; O Tratamento “B” compreende o Enrocamento Vegetado, que é uma proteção na base do talude composto por rochas de diferentes diâmetros, implantado após o reafeiçoamento (retaludamento) do talude, se constituindo como umas das técnicas de engenharia natural implantada na área experimental, no ano de 2011. Todo o enrocamento estava recoberto por vegetação, além de apresentar macrófitas aquáticas na sua base; O Tratamento “C” identificado como Talude Erodido, é constituído por um talude em processo erosivo, e possui 41° de inclinação. O processo erosivo atuante nas margens da área experimental é de acordo com Casado (2000) tipificado como “Desmoronamento”, que é o termo utilizado para designar a queda livre e rápida de blocos de terra por efeito da gravidade a partir das faces verticais dos barrancos; O Tratamento “D” onde foi aplicado a Parede Krainer, outra técnica de engenharia natural,
implantada em setembro de 2013, que se constitui de estrutura formada por toras de madeira grampeadas, preenchidas com solo, e recoberta por vegetação, com uma base de talude também formada por enrocamento; O Tratamento “E” onde foi implantado o Cordão de Vetiver, que é composto por cordões de capim vetiver (Chrysopogon zizanioides (L.) Roberty) plantados no ano de 2011 em espaçamento bem cerrado e em curva de nível, acompanhando a concavidade da margem, sendo implantados desde a base do talude até o terço médio do mesmo.
A vazão de defluência da Usina Hidrelétrica de Xingó similar à vazão de afluência, por se tratar de uma barragem de “fio d’água”, numa série de 15 anos se comportou de acordo com os dados apresentados na Figura 5, incluindo o período de coleta de dados que considerou os anos de 2013, 2014 e 2015.
FIGURA 5: Vazão do Rio São Francisco no baixo curso no período de 2012 a
2015.
Fonte: ANA (2015).
A progressiva diminuição da vazão do Rio São Francisco, relacionada a seguidos anos de baixa pluviosidade nas suas cabeceiras (2013, 2014, 2015, 2016), tem levado à diminuição da cota do rio, alterando a sua dinâmica geomorfológica, e consequentemente, expondo ainda mais o talude aos efeitos da erosão. Nos últimos anos, o baixo curso do Rio São Francisco vem sofrendo uma redução progressiva na sua cota, repercutindo muito pouco nas alterações do seu perfil transversal (Figura 6), explicado pela baixa vazão e velocidade de fluxo abaixo de 0,75 m/s.
FIGURA 6: Perfil transversal dos transectos avaliados nos anos de 2013 a 2015. Talude Vegetado (A); Enrocamento Vegetado (B); Talude Erodido (C); Parede Krainer (D); Cordão de Vetiver (E).
As descargas jusante da UHE-Xingó são constituídas de duas partes: o fluxo aquoso (descarga liquida) e o fluxo de sedimentos (descarga sólida), ambos interagindo entre si e com os limites e a forma do canal. É desta interação que irá resultar as mudanças nos processos e na morfologia do canal. Em tempos de baixa vazão, observou-se que a relação entre a capacidade de transporte do fluxo e a carga de sedimentos liberada pelo reservatório, reconhecidamente decresceu ao longo dos anos (BANDEIRA et al., 2013), e tem influenciado sobremaneira as mudanças geomorfológicas no canal do rio, justificados pela relação entre a erosividade do fluxo e a erodibilidade das margens.
Na avaliação das alterações da calha do rio pelo seu perfil transversal, verificou-se que na comparação dos três anos, houve alteração morfológica no canal, sendo que o Transectos B e C apresentaram as maiores profundidades no ano de 2013, quando comparado com os demais transectos, sendo possível identificar um discreto afastamento do talvegue da margem. Essa mesma modificação na morfologia do canal do rio foi relatada por Ma et al., (2010) analisando o Rio Yuxi e Theuring et al., (2013) no Rio Kharaa, comprovando que as alterações da vazão de fato estão correlacionadas com as alterações na morfologia do canal.
Nos transectos que se iniciam pelas margens com Enrocamento Vegetado (B) e Parede Krainer (D), o deslocamento do talvegue quase não foi registrado. No entanto, em se tratando do transecto que se inicia no Talude Erodido (C) pôde ser identificado um distanciamento do talvegue ao talude, perceptível pela alteração no perfil transversal. No transecto que se inicia no Cordão de Vetiver (E), que apresenta dados somente dos anos de 2014 e 2015, a alteração no perfil transversal é ainda mais perceptível, com um aprofundamento do canal, evoluindo em direção à margem do rio, podendo ser explicado pela maior concavidade da margem nesse trecho. Com efeito, o rio por ser um organismo dinâmico e apesar da baixa vazão possui um processo de corrasão ativo, esculpindo seu canal e alterando sua morfologia.
Não esquecendo que as alterações geomorfológicas são também intensificadas pela deposição de sedimentos em processo fluviais (MARÇAL, 2013), contribuindo para as alterações no canal do rio. Observando-se também que são registradas modificações na dinâmica dos sedimentos, uma vez que em função das diferentes profundidades avaliadas, assim como a proximidade ou o distanciamento das margens, há uma variação na concentração destes sedimentos conforme verificado também por Defendi et al., (2010).
Sendo assim, em relação a produção de sedimentos, observa-se que ela está atrelada à operação das barragens (GRANATA et al., 2008), pois são estas que controlam o regime hidrológico do curso d’água (DADE, et al., 2011; MINELLA et al., 2011). Nesse sentido, uma maior produção de sedimentos foi observada no ano de 2013, estatisticamente diferente na comparação dos três anos de coleta (2013, 2014 e 2015), sendo esse o ano que apresentou a maior vazão, 1200 m3/s (Figura 2) no período avaliado. Nos anos subsequente, a vazão do rio no Baixo São Francisco foi sendo reduzida, com valores decrescentes na produção de sedimentos (Figura 7). Essa mesma resposta foi relatada por Ma et al., (2010) e Theuring et
al., (2013), onde os períodos de maiores vazões corresponderam a uma maior quantidade