Carvalho (2000) relata que os sedimentos que alcançam o reservatório são originários da área de drenagem contribuinte e são transportados, principalmente, através da rede principal de canais fluviais. O mesmo autor salienta, ainda, que a produção de sedimento derivada da área de drenagem, ou correspondente a toda uma bacia hidrográfica, depende da erosão, do escoamento das águas de chuva com o carreamento dos sedimentos e das características de transporte de sedimento nos cursos d’água.
Para Icold (1989) os principais fatores que afetam a produção de sedimentos na área de drenagem são: (a) a precipitação K quantidade, intensidade e freqüência; (b) o tipo de solo e formação geológica; (c) a cobertura do solo K vegetação, rochas aparentes e outros; (d) o uso do solo K práticas de cultivo, pastagens, explotação de florestas, atividades de construção e medidas de conservação; (e) a topografia (geomorfologia); (f) a natureza da rede de drenagem K densidade, declividade, forma, tamanho e conformação dos canais; (g) o escoamento superficial; (h) as características dos sedimentos K granulometria, mineralogia e etc.), e (i) a hidráulica dos canais, observandoKse ainda, a combinação entre os fatores acima relacionados.
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Diversos estudos têm sido realizados no sentido de quantificar as taxas de assoreamento em reservatórios a partir de levantamentos batimétricos. Araújo et al. (2003) avaliaram o assoreamento de sete reservatórios no semiárido cearense e obtiveram uma taxa média de assoreamento de 1,85% por década. Cabe salientar que o menor valor (1,06%) foi obtido por Fernandes (2000) para o açude Acarape do Meio, localizado em bacia rural, e o maior valor (3,57%) foi obtido por Soares (2003) para o açude Santo Anastácio, localizado em bacia urbana. Estes valores são inferiores aos valores médios (5 – 10%) obtidos na literatura internacional (MORRIS et al. 2008).
A avaliação das camadas de solo do reservatório é também relevante para se estudar as características do sedimento assoreado. Soares (2003) em seu estudo no açude Santo Anastácio, utilizou três pontos de amostragem com profundidades de até 2,0 m para caracterizar os seguintes atributos do solo: massa específica aparente seca, granulometria e teor de matéria orgânica. Um estudo similar foi conduzido recentemente por Navas et al. (2009), onde foram utilizados dois pontos de amostragem para avaliar os três parâmetros supracitados.
Conforme mencionado anteriormente, outro fator não menos importante na avaliação do assoreamento de reservatórios é a eficiência de retenção de sedimentos, sendo definida como a razão entre a quantidade de sedimento retida no reservatório e a quantidade que é entregue ao mesmo. Um estudo realizado por Almeida (2001) em seis reservatórios localizados no semiárido cearense revelou eficiências de retenção variando entre 77 e 92%, valores estes inferiores àqueles previstos utilizando a curva de Brune (1953).
Segundo Carvalho (2000), a sedimentação é um processo derivado do sedimento, abrangendo a erosão, transporte nos cursos d`água e a deposição, sendo comum referirKse à sedimentação somente aos aspectos de assoreamento de reservatórios, pois no estudo deste processo, buscaKse compreender os procedimentos existentes para a previsão da evolução do fenômeno ao longo dos anos, visando determinar a redução na capacidade acumulativa dos reservatórios.
Os danos ambientais e econômicos devido à acumulação de sedimentos nos reservatórios podem ser grandes e de extrema dificuldade de remediação, particularmente em regiões áridas e semiKáridas (ICOLD, 1989). Desta forma, conforme Ogura et al. (1997) o assoreamento constituiKse em um dos mais graves impactos da erosão nos recursos hídricos, favorecendo a ocorrência de enchentes, causando a perda da capacidade de armazenamento de água nos reservatórios para o abastecimento público e a redução qualitativa da água.
Os processos da sedimentação têm certa complexidade. Os sedimentos transportados pelos canais fluviais são primeiramente depositados devido à redução de velocidade da água no reservatório. À medida que os sedimentos se acumulam no lago, a capacidade de armazenamento de água do mesmo vai diminuindo. Enquanto uma contínua deposição ocorre, há uma distribuição de sedimentos nos reservatórios, e esta é influenciada pela operação e também pela ocorrência de grandes cheias, responsáveis pelo carreamento de muito sedimento. Quando a vida útil do reservatório é afetada pelo
assoreamento, tornamKse necessárias medidas intervencionistas para que este seja recuperado (ICOLD, 1989).
Todo curso d’água normalmente apresenta um equilíbrio em relação ao transporte de sedimento, seja por arrasto e saltitação junto ao leito ou seja, em suspensão na corrente, existindo uma tendência natural para que este seja depositado quando o fluxo natural de sedimentos encontrar água com menor velocidade (alteração do fluxo), conforme a maior ou menor granulação das partículas e a menor ou maior turbulência do escoamento (CARVALHO, 2000).
Conforme Cabral (2005), ao se construir um reservatório, a característica hidráulica do trecho compreendido entre a barragem e a seção à montante é alterada, o estado de equilíbrio do fluxo muda, conduzindo a uma série de transformações no processo fluvial, proporcionando a desaceleração do movimento das partículas na direção da corrente, fazendo com que as partículas sólidas como pedregulhos e areias grossas se depositem mais próximas da entrada do reservatório.
Por sua vez, as partículas mais finas, em cuja sustentação a viscosidade exerce papel relevante, podem depositarKse no trecho mais próximo do barramento ou permanecer em suspensão, disponíveis à processos de descarga (MORRIS; FAN. 1997; CARVALHO, 2000).
A deposição e a distribuição dos sedimentos dentro de um reservatório dependem de vários fatores como: (a) quantidade de sedimentos que adentra no reservatório; (b) capacidade de retenção do reservatório; (c) quantidade de sedimentos acumulado no mesmo; (d) modo de operação do reservatório; (e) declividade de escoamento; (f) geometria do reservatório; (g) características minerais das partículas finas e, (h) características químicas das águas. (VANONI, 1977; BRUNE; ALLEN (1941), apud CABRAL, 2005).
Para Carvalho (2000) vários fatores influenciam a formação dos depósitos, sendo os principais: (a) sedimentos afluentes; (b) eficiência de retenção do sedimento no reservatório; e (c) densidade dos depósitos e volume de sedimento depositado. A Figura 6 ilustra esquematicamente a formação dos depósitos devido à existência do reservatório, bem como indica os principais problemas decorrentes.
À medida que a deposição de sedimentos aumenta, a capacidade de armazenamento do reservatório diminui, a influência do remanso aumenta para montante, as velocidades no lago aumentam e maior quantidade de sedimentos passa a escoar para jusante diminuindo a eficiência de retenção das partículas, demonstrando
que a evolução de fundo do reservatório depende fortemente da geometria do reservatório e do tamanho do sedimento depositado (MORRIS; FAN. 1997; CARVALHO, 2000).
De acordo com Carvalho (2000; 2008) as variáveis envolvidas nas estimativas de assoreamento são: (a) carga de sedimentos (quantidade de material sólido afluente de uma dada seção num curso d’água); (b) eficiência de retenção de sedimentos (razão entre a carga sólida que se deposita no leito do reservatório e a carga sólida total afluente) e, (c) peso específico dos depósitos de sedimentos (relação entre o peso seco do material e o volume ocupado pelo depósito). A estimativa desta variável é necessária para a transformação da carga sólida retida em volume sedimentado.
*7"+' N – Esquema da formação de depósitos de sedimentos nos reservatórios com indicação dos principais problemas decorrentes (CARVALHO, 2000)
O valor da eficiência de retenção de sedimentos num reservatório pode ser obtido a partir de medições sistemáticas das descargas sólidas afluente e a jusante da barragem. No caso de estudos anteriores à construção da barragem utilizamKse curvas obtidas a partir de levantamentos de reservatórios existentes. Para médios e grandes
reservatórios utilizaKse a curva de Brune e para pequenos adotaKse a curva de Churchill (CARVALHO, 2000).
A curva de Brune (Figura 7) apresenta no eixo das ordenadas o valor da eficiência de retenção de sedimentos no reservatório, em porcentagem ou em fração, e no eixo das abscissas a capacidade de afluência, correspondendo ao volume máximo do reservatório dividido pelo deflúvio médio anual afluente (BRUNE, 1953).
*7"+' O K Curvas de eficiência de retenção de sedimentos em reservatórios segundo Brune
Fonte: Vanoni (1977)
A curva de Churchill Almeida (2001) é apresentada em três versões, necessitando cuidados no seu uso, no que se refere aos parâmetros de entrada. Em qualquer uma delas, o eixo das ordenadas representa a porcentagem do sedimento afluente que passa para jusante da barragem.
Uma versão da curva de Churchill, apresentada por Icold (1989), tem no eixo das ordenadas, na parte superior do desenho, o índice de sedimentação de Churchill multiplicado pela aceleração da gravidade . Assim, a eficiência de retenção é obtida por diferença e deve ser expressa em fração para efeito de cálculo.
A curva de Churchill apresentada por Vanoni (1977) e Morris e Fan (1997), é ilustrada na Figura 8. Na referida curva, o eixo das abscissas corresponde ao valor do Índice de Sedimentação do Reservatório IS que é igual ao Período de retenção dividido
pela Velocidade média no reservatório. Esses parâmetros são calculados da seguinte forma:
• Período de retenção = volume do reservatório (m³) dividido pela vazão média diária durante o período de estudo (m³/s);
Velocidade média no reservatório = vazão média diária (m³/s) dividida pela área da seção transversal média (m²). A área da seção transversal média pode ser determinada pela divisão do volume do reservatório pelo seu comprimento (m).
*7"+' P K Curva de eficiência de retenção de sedimentos segundo Churchill Fonte: Vanoni (1977)
Os pequenos reservatórios geralmente operam com baixas acumulações de água, sendo o volume correspondente a esse nível aquele que deve ser utilizado. DeduzindoKse das informações acima, chegaKse à seguinte expressão (Eq. 1) para o Índice de Sedimentação utilizada na versão da curva de Churchill apresentada na figura anterior: ! " ⋅ = = 2 2 (1)
sendo: IS = Índice de sedimentação do reservatório; Vres = Volume do reservatório no nível médio de operação (m³); Q = Vazão afluente média diária durante o período de estudo (m³/s) e L = Comprimento do reservatório (m).
Uma terceira versão da curva, modificada por Roberts, é apresentada por Annandale (1987). Nesta curva o eixo das ordenadas é expresso conforme anterior, ficando a diferença segundo a apresentação da curva.
O deflúvio sólido é geralmente calculado em termos de peso por unidade de tempo, como t/ano, devendo ser transformado em volume equivalente, como m³/ano, através de seu peso específico (CARVALHO, 2000). O mesmo autor citou, também, que conforme estudos anteriores o peso específico dos depósitos de sedimento pode ser calculado segundo o tipo de operação desse reservatório, do grau de compactação dos sedimentos e da granulometria, fatores esses, que mais influenciam na consolidação dos depósitos. Outros fatores de menor influência podem ser citados (e.g. densidade de correntes de sedimento no reservatório, declividade do talvegue do curso d'água afluente e o efeito da vegetação na área das cabeceiras do reservatório).
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O açude Boqueirão está inserido na Estação Ecológica situada no município de Aiuaba, mais precisamente na localidade denominada de Gameleira. Com a implantação da Bacia Experimental de Aiuaba em 2003, o reservatório, no exutório da bacia, passou a ser monitorado através de pesquisas hidrossedimentológicas. Através de relatos de antigos moradores da região, conseguiuKse chegar ao ano de construção deste reservatório, que data de 1934.
No ano de 2003, após a implantação da BEA, iniciouKse uma pesquisa detalhada da mesma e dentre elas, estimouKse a relação entre a cota, a área e o volume deste reservatório.
Visando conhecer a massa assoreada no reservatório desde o período de construção, realizouKse uma topobatimetria no ano de 2009, chegandoKse ao resultado pelo produto do volume de assoreamento e a massa específica aparente seca do solo do açude Boqueirão.
Para a determinação do volume de acumulação atual do açude Boqueirão foi realizado um Levantamento Taqueométrico através do método da irradiação. O método consiste na realização de uma série de operações para a obtenção da distância horizontal e da diferença de nível. O aparelho utilizado foi o teodolito (Figura 9), que, provido de fios estadimétricos, mede ângulos horizontais e verticais. As leituras são feitas na mira com auxílio dos fios, bem como o ângulo de inclinação da luneta que é vista no limbo vertical do aparelho.
*7"+' C K Teodolito usado para levantamento topográfico da bacia hidráulica do Açude Boqueirão, Aiuaba, CE, 2009.
A determinação da distância horizontal pode ser feita através da equação 2:
α 2 cos 100∗ ∗ = #$ (2)
em que: DH é a distância horizontal; I é a diferença da leitura entre os fios estadimétricos superiores e inferiores; α é o ângulo vertical em relação ao horizonte.
A diferença de nível DN obtémKse através das equações 3 e 4, nas quais: % & #$ #'= ∗ α − + (3) ou % & #$ #'= ∗cot α− + (4)
em que: FM = leitura realizada na mira com a linha de vista central e Ai = altura do centro ótico da luneta até o ponto topográfico.
Substituindo a equação (2) na equação (3) obtémKse as equações 5 e 6:
% & #'=100∗cos2α∗ α − + daí:
(
sen cos)
FM Ai cos 100 DN= ∗ 2α∗ α α − + % & " #'=100∗ ∗cosα∗ α− + como:( )
α = α ∗ α sen 12sen 2 cos temos:( )
& % " #'=100∗ ∗12∗ 2α − +( )
& % " #'=50∗ ∗ 2α − + (5) ou( )
( & % " #'=50∗ ∗ 2 − + (6)Após visita de campo para a o estudo prévio foi feita a préKdeterminação do local onde ficariam as estações necessárias para a realização deste trabalho. Sete estações de mudança foram locadas para que se pudesse cobrir todo o espelho d’água do açude, procurando, assim, observar as particularidades do reservatório estudado, tentando mitigar possíveis fontes de erros. Foram visados 183 pontos dentro da bacia hidráulica. ProcurouKse detalhar a região de volume morto do açude (Figura 10), pois neste local, observamKse as maiores profundidades do mesmo e onde a água fica acumulada no período de estiagem.
*7"+' 32 K Vista do açude Boqueirão na estação seca (Aiuaba, CE, em dezembro de 2008).
Com os dados da Taqueometria obtiveramKse as coordenadas de cada ponto visado e sua respectiva altimetria em relação à cota do exutório da bacia hidrográfica. A cota do exutório foi identificada na seção do sangradouro do açude, servindo de referencial para todo o trabalho. Ainda foram verificadas as coordenadas obtidas pelo método, com os pontos das estações coletados por aparelho GPS, a fim de observar a confiabilidade do método.
De posse das coordenadas, foi usado o Software Surfer para que se fosse processada a interpolação dos pontos obtidos. A princípio, importouKse a malha de pontos obtidos no processo anterior e, pelo método da Krigagem, foi feito o adensamento da malha obtida com a topografia. Logo após esse processo, o arquivo foi salvo em formato de “grid” de pontos.
Gerado o “grid” de pontos, os mesmos foram exportados para o software de geoprocessamento, que gerou as curvas de nível da bacia hidráulica do reservatório. OptouKse pela diferença de 0,5m entre as mesmas, resultando em oito curvas de nível. Suas respectivas áreas foram calculadas utilizando uma ferramenta do mesmo software. De posse das áreas de cada uma das curvas de nível, foi calculado o volume de acordo com o procedimento sugerido por Molle e Cadier (1992), como explicado a seguir:
O método pode ser sintetizado pela Tabela 2 e pela Figura 11:
• Inicialmente devemKse preencher as três primeiras colunas com as cotas, as superfícies correspondentes e as distâncias entre as duas curvas de nível sucessivas (neste caso 0,5m);
• na coluna (4), calculaKse a superfície média entre as duas cotas;
• na coluna (5), colocaKse o valor do desnível (coluna (3)) multiplicado pela semiKsoma das superfícies (coluna (4)) obtendoKse o volume parcial de acumulação. Este volume parcial representa o volume da fatias de água entre as duas cotas sucessivas. ObservaKse que na primeira linha, o volume parcial é calculado por H1. S2/2,7;
• na coluna (6), calculaKse a soma dos volumes parciais, obtendoKse, assim, o volume total Vicorrespondente a cada profundidade Hi.
'.%;' 1 K Procedimento para cálculo do volume armazenável em função da cota de acumulação (Fonte: Molle e Cadier, 1992).
) * *+ ! * , *- # " . * */ ! " " " " *0 *1 *2 H0 0 H1 S1 V1= (H1. S1)/2,70 V1 H1 S1 H2 –H1 (S1 +S2)/2 V1= (S1 +S2).(H2– H1)/2 V1 H2 S2 H3 –H2 (S2 +S3)/2 V2= (S2 +S3).(H3– H2)/2 V1+ V2 H3 S3 H4 –H3 (S3 +S4)/2 V3= (S3 +S4).(H4– H3)/2 V1+ V2+ V3 H4 S4 ... Hn Sn Hn –HnK1 (SnK1 +Sn)/2 Vn= (Sn +SnK1).(Hn– HnK1)/2 V1+ V2+ (...) + Vn
*7"+' 33 K Representação do cálculo do volume parcial de um reservatório (Baseado em Molle e Cadier, 1992).
Com este processo obteveKse o volume atual ou volume armazenável do Açude Boqueirão no ano de 2009. No ano de 2003, realizouKse a Implantação das Bacias Experimentais do Semiárido – Projeto IBESA, de execução da Universidade Federal do Ceará. O projeto tinha como finalidade a instalação de uma bacia experimental para cada estado inserido no semiárido nordestino, bem como a coleta, o tratamento e a divulgação de variáveis hidrológicas de cada Bacia, e mais propriamente, a realização de pesquisas neste Bioma, que possui alto grau de preservação na estação
ecológica de Aiuaba. No âmbito deste projeto foram realizadas campanhas e uma das informações coletadas, à época, foi a relação entre cota, área e volume do açude Boqueirão (exutório da bacia). A mesma foi determinada com base em oito campanhas para avaliar as áreas inundadas e associaKlas aos níveis do açude. Com base nas campanhas foi possível avaliar, com auxílio de GPS, o contorno preciso e sua área para a cota de armazenamento correspondente (Araújo, 2004). Posteriormente essas áreas foram quantificadas usando um software de geoprocessamento, e as profundidades correspondentes aos espelhos d’água. No dia da medição, foram coletadas em um linígrafo de bóia instalado no açude. A partir daí o procedimento para obtenção do volume do mesmo seguiu a mesma seqüência já relatada anteriormente, tendoKse a área inundada e o volume acumulado no açude Boqueirão, para cada nível de água, representados graficamente nas Figuras 12 e 13 a seguir:
*7"+' 31 K Relação entre a área inundada e o nível d’água no açude Boqueirão no ano de 2003
Fonte: Araújo et al. (2004).
X 2-23NP>9L-222O
1
*7"+' 3K K Relação entre o volume de acumulação e o nível d’água no açude Boqueirão, no ano de 2003.
Fonte: Araújo et al.(2004).
De posse dos dados de volume de água dos anos de 2003 e 2009, usando como base a cota de sangria do reservatório, chegouKse à quantificação do volume de assoreamento do reservatório para o período compreendido entre os dois estudos batimétricos, simplesmente pela diferença dos volumes obtidos nos dois métodos.
A partir daí, obteveKse a taxa de assoreamento anual média do Açude Boqueirão calculandoKse a razão entre o volume assoreado V e o número de anos do período. O volume assoreado do reservatório para o período compreendido desde a data de sua construção até a conclusão desta pesquisa (1934 a 2009) foi determinado pelo produto entre a taxa de assoreamento médio anual e o número de anos compreendidos no período.
A massa assoreada M do reservatório, foi obtida do volume assoreado e da massa específica aparente seca (ρap), que é dada pela razão entre a massa do solo seco e
o volume que a mesma ocupa " . Para a determinação da Massa Assoreada M foi utilizada a Equação 7, descrita abaixo:
ρ
∗
= (7)
em que: M = massa assoreada, em (t); V = volume assoreado, em (m³) e ρ = massa específica aparente seca do solo do açude, em (t/m³).
X KK3-PK>9K-LKL
1
M>1 !*4'!*<' #% ='+U4%!+$ #$ $;$ #' .'&*' 9*#+/";*&'
Neste tópico se descreve o procedimento para a análise de solo da bacia hidráulica do Açude Boqueirão. Com isso visaKse identificar parâmetros que nos permitam avaliar o assoreamento tendo como base as características do solo. O tópico foi dividido em três etapas assim dispostas: procedimentos de campo; análises de laboratório; e trabalho de escritório.
5.2.1 Procedimentos de Campo
O procedimento de campo teve por finalidade coletar materiais para análise em laboratórios e reconhecer os aspectos fisiográficos da área de estudo. O mesmo consistiu na escavação de cinco trincheiras previamente escolhidas usando um critério objetivo (Figura 14). Este critério foi embasado no caminho preferencial de escoamento do sedimento ao entrar no reservatório, ou seja, no leito do riacho existente dentro do mesmo, que é facilmente observado devido ao rebaixamento do terreno, possivelmente provocado pelo arraste de material assoreado que ressuspende quando ocorrem eventos de maior intensidade.
*7"+' 3L K Localização das trincheiras realizadas dentro da bacia hidráulica do Açude Boqueirão, Aiuaba, CE, 2009.
As trincheiras (Figura 14) estão localizadas nas coordenadas UTM, # 34!5+670, respectivamente: Trincheira 1. (357385, 9259367), Trincheira 2. (357254, 9259392), Trincheira 3. (357181, 9259404), Trincheira 4. (357147, 9259348), e Trincheira 5. (357085, 9259269), obedecendo a critérios já mencionados.
Para caracterizar o material assoreado foram feitas as amostragens em camadas de solo de 0,30 em 0,30 m. A análise laboratorial foi feita através da extração de material localizado na porção central da camada. As amostras eram coletadas até se chegar à profundidade máxima em cada prospecção, caracterizada pelo embasamento ou por uma camada de impedimento muito forte.
A Figura 15 mostra o exemplo típico das trincheiras escavadas na bacia hidráulica do açude Boqueirão.
[A] [B]
*7"+' 3M – Exemplo típico das trincheiras realizadas na bacia hidráulica do reservatório. (A e B)
Os parâmetros de análise foram previamente escolhidos com base na literatura, tratandoKse especificamente da massa específica aparente seca do solo (ρs); densidade real (γ); e matéria orgânica (MO) de cada profundidade relatada.
Para extração do solo e determinação da massa específica aparente seca (ρs) foi utilizado um coletor de solo tipo Uhland (Figura 16), e o método do cilindro de cravação, seguindo a NBR 9813 e NBR 6457 da ABNT.
• cilindro de cravação calibrado (coletor tipo Uhland); • haste guia e soquete de cravação;
• colarinho destacável;
• pá, picareta e marreta de borracha;
• régua de aço biselada de 30 centímetros;e
• espátulas de lâmina flexível com cerca de 10cm de comprimento por 2 cm de largura, e 12 cm de comprimento por 10 cm de largura.