UNIVERSIDADE DO VALE DO ITAJAÍ
CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DA TERRA E DO MAR CURSO DE OCEANOGRAFIA
ANÁLISE DA EFICIÊNCIA DO CANAL EXTRAVASOR NO RIO ITAJAÍ
AÇU SUGERIDO PELA JICA (JAPAN INTERNATIONAL
COOPERATION AGENCY).
RAFAEL MARINHO COLOMBI
ITAJAÍ 2011
ii UNIVERSIDADE DO VALE DO ITAJAÍ
CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DA TERRA E DO MAR CURSO DE OCEANOGRAFIA
ANÁLISE DA EFICIÊNCIA DO CANAL EXTRAVASOR NO RIO ITAJAÍ
AÇU SUGERIDO PELA JICA (JAPAN INTERNATIONAL
COOPERATION AGENCY).
RAFAEL MARINHO COLOMBI
ITAJAÍ 2011
Trabalho de conclusão de curso apresentado como requisito parcial para obtenção do título de Oceanógrafo.
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DEDICATÓRIA
Dedico este trabalho à minha família, Antônio, Jaqueline e Rafaela, que sempre acreditaram e confiaram em minhas escolhas.
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AGRADECIMENTOS
Aos meus pais, pois sem eles nada disso estaria acontecendo.
A toda minha família que sempre me apoiou.
Ao meu orientador João Luiz pelos ensinamentos e oportunidades disponibilizadas.
A todos os amigos do LOF que sempre me ajudaram muito.
Ao professor Franklin e Rafael Sangoi por ajudarem a enriquecer o trabalho.
Ao Porto de Itajaí pelos dados disponibilizados.
Aos TUBOS & RAMPAS da Praia Brava que sem dúvida me fizeram e fazem o cara mais feliz do mundo.
Às ondas da Praia do Rincão que me ensinaram a surfar e me motivaram a escolher o caminho da Oceanográfia.
À Ritinha por todo o apoio e carinho.
Aos grandes amigos Gumera, Porva, Guerrero, Zé da Balada, Machado, Rick, Pok, Baurusão, Rafão, Bebado, Vinão, Anão, Débora, Lori, Minero, Grugy, Cket, André, Marina, Henrik, Pí, Bruno Carioca, Gustavo, Matias e todos aqueles que fizeram parte desta caminhada.
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RESUMO
O rio Itajaí-Açu está situado no litoral norte catarinense aproximadamente 80 km de Florianópolis, sua bacia de drenagem possui 15,500 km². Em situações de altas taxas pluviométricas o rio Itajaí-Açu tende a encher e inundar gerando grandes prejuízos sociais, econômicos e ambientais. As enchentes de 1983 e 1984 atingiram dimensões catastróficas e foi a partir destas que o governo estadual começou a medir esforços para combater estes fenômenos. Sendo assim, o governo estadual firmou um acordo de cooperação técnica com a JICA (Japan International Cooperation Agency) com o objetivo de elaborar um plano diretor contra as enchentes. Em 1990 a JICA entregou o relatório final do plano diretor e uma das medidas proposta foi a construção de um canal extravasor com a função de escoar as águas excedentes em eventos extremos de vazão. No entanto, alguns questionamentos em relação a formulação técnica do canal extravasor foram levantados, como por exemplo, a desconsideração das marés meteorológicas em seus estudos. Dentro deste contexto o presente trabalho tem como objetivo principal avaliar a eficiência do canal extravasor em situações extremas de vazão sob a influência das marés astronômicas e meteorológicas através de modelagem numérica computacional utilizando o software SisBAHIA® – Sistema Base de Hidrodinâmica Ambiental. Os resultados foram satisfatórios uma vez que o modelo apresentou boa validação. As eficiências testadas foram boas em quase todas as situações extremas deixando a desejar somente nas situações com marés meteorológicas positivas onde as eficiências tendem a diminuir 50%, podendo gerar inundações em lugares onde não teríamos aumentando a gravidade do problema. Portanto conclui-se que é necessário reprojetar o canal extravasor uma vez que 70% das enchentes no vale do Itajaí estão associadas às marés meteorológicas positivas e porque obras deste tipo são para conter eventos extremos.
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LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Oscilações periódicas e simétricas de maré com seus respectivos parâmetros: amplitude (a), altura (H), comprimento (λ) e período (T). Note também os instantes de maré: preamar, baixamar, vazante e enchente. ... 4 Figura 2 - Derivação das forças geradoras de maré. A força centrífuga tem a mesma magnitude e direção em todos os pontos, enquanto a força gravitacional exercida pela Lua na Terra varia tanto em magnitude quanto em direção. A força geradora de maré em qualquer ponto é resultante das forças gravitacional e centrífuga (modificado OPEN UNIVERSITY, 1997). ... 6 Figura 3 - A relação entre um dia solar de 24h e um dia lunar de 24h e 50min. O ponto A na superfície da Terra, a partir do instante em que a Lua está passando diretamente ele retorna sua posição inicial após 24h. Neste tempo a Lua move-se em sua órbita, de mo modo que o ponto A deve rodar adicionalmente 50min para estar novamente sob a Lua (modificado OPEN UNIVERSITY, 1997). ... 7 Figura 4 - Reprodução das marés tropicais com desigualdades nas médias latitudes devido à declinação da Lua. Um observador no ponto B experimenta uma maior do que no ponto A (modificado OPEN UNIVERSITY, 1997). ... 8 Figura 5 - Representação esquemática da interação das marés lunares e solares, vistas a partir de um observador no Pólo Norte da Terra. (A) Lua Nova e (C) Lua Cheia, períodos de sizígia; (B) Quarto Crescente e (D) Quarto Minguante, períodos de quadratura (modificado OPEN UNIVERSITY, 1997). ... 9 Figura 6- Seção longitudinal de um sistema estuarino indicando: as zonas de Maré do Rio (ZR), de Mistura (ZM) e a Costeira (ZC). São também apresentadas as características da estrutura vertical de salinidade e circulação média. Qf representa a descarga fluvial do rio (modificado MIRANDA et al., 2002). ... 14 Figura 7 - Tipos fisiográficos de estuários (modificado FAIRBRIDGE, 1980). ... 19 Figura 8 - Figura esquemática de um estuário tipo cunha salina. As setas verticais na interface entre os movimentos bidirecionais indicam o processo de entranhamento (modificado Pritchard, 1989). ... 20 Figura 9 - Distribuição longitudinal da salinidade e da circulação em um estuário do tipo parcialmente misturado (modificado Pritchard, 1989). ... 21 Figura 10 - Distribuição da salinidade e da circulação em um estuário do tipo verticalmente homogênio (modificado Pritchard, 1989). ... 21 Figura 11 - Corte longitudinal do canal extravasor com suas respectivas dimensões. ... 26 Figura 12 - Localização da rota do canal extravasor (coordenadas: UTM / datum: WGS 84). ... 27 Figura 13 - Diagrama do processo de modelagem com destaque em amarelo para rota usualmente seguida (modificado ROSMAN 2010). ... 29 Figura 14 - Formatos dos elementos finitos quadrangulares e triangulares admissíveis no modelo FIST3D e seus respectivos nós. ... 35 Figura 15 - Representação dos contornos abertos e fechados. ... 36 Figura 16 - Localização da área de estudo (coordenadas: UTM / datum: WGS 84). ... 38 Figura 17 - Bacia do Rio Itajaí-Açu e sua respectiva elevação digital disponibilizado no site da EPAGRI (coordenadas: UTM / datum: WGS 84). ... 39 Figura 18 – Domínio de modelagem referentes as condições normais, sem o canal extravasor (coordenadas: UTM / datum: WGS 84). ... 43
vii Figura 19 – Domínio de modelagem referentes a condição hipotética com o canal extravasor (coordenadas: UTM / datum: WGS 84). ... 44 Figura 20 - Malha utilizada na modelagem para os cenários sem o canal extravasor (coordenadas: UTM / datum: WGS 84). ... 45 Figura 21 - Malha utilizada na modelagem para os cenários com o canal extravasor (coordenadas: UTM / datum: WGS 84). ... 46 Figura 22 – Interpolação da batimetria utilizada na modelagem, destacando a desembocadura do rio Itajaí-Açu (coordenadas: UTM / datum: WGS 84). ... 50 Figura 23 - Interpolação da batimetria utilizada na modelagem, destacando o rio Itajaí-Açu (coordenadas: UTM / datum: WGS 84). ... 51 Figura 24 – Gráfico de elevação das marés utilizada na modelagem. ... 54 Figura 25 - Gráfico de elevação das marés astronômicas e meteorológicas utilizadas na modelagem. ... 55 Figura 26 – Posição dos equipamentos representados pelos pontos em vermelho (coordenadas: UTM / datum: WGS 84). ... 57 Figura 27 - Diagrama de dispersão entre os dados de elevação medidos e modelados para o período de 01/01/2010 até 31/01/2010 com seu respectivo coeficiente de correlação linear (R²). ... 59 Figura 28 - Espectro Cruzado de elevação entre as séries temporais medida e modelada entre os dias 01/012010 até 31/01/2010. ... 60 Figura 29 - Série temporal de elevação medida (azul) e modelada (vermelho) para o período entre os dias 01/01/2010 até 31/01/2010. ... 60 Figura 30 - Diagrama de dispersão entre os dados medidos e modelados para componente U de velocidade com seu respectivo coeficiente de correlação linear (R²). ... 61 Figura 31 - Diagrama de dispersão entre os dados medidos e modelados para componente V de velocidade com seu respectivo coeficiente de correlação linear (R²). ... 62 Figura 32 - Elipse de corrente no ponto de coleta entre os dados medidos e modelados. Note que a direção de escoamento no sentido ENE (800). ... 63 Figura 33 - Série temporal da componente de velocidade U entre os dados medido e modelados. Note que as amplitudes são maiores em relação a componente V. ... 63 Figura 34 - Série temporal da componente de velocidade V entre os dados medidos e modelados. ... 64 Figura 35 - Diagrama progressivo de vetores indicando boa coerência entre os dados medidos e modelados. ... 64 Figura 36 – Localização dos pontos de controle. ... 65 Figura 37 – Séries temporais de elevação geradas pelo modelo sem o canal extravasor em azul e com o canal extravasor em vermelho. Estes resultados são referentes ao cenário com vazão igual a 3300 m³/s sob efeito das marés astronômicas entre os dias 01/01/2010 e 15/01/2010. ... 67 Figura 38 – Séries temporais de elevação geradas pelo modelo sem o canal extravasor em azul e com o canal extravasor em vermelho. Estes resultados são referentes ao cenário com vazão igual a 4000 m³/s sob efeito das marés astronômicas entre os dias 01/01/2010 e 15/01/2010. ... 68 Figura 39 – Séries temporais de elevação geradas pelo modelo sem o canal extravasor em azul e com o canal extravasor em vermelho. Estes resultados são referentes ao cenário com vazão igual a 5100 m³/s sob efeito das marés astronômicas entre os dias 01/01/2010 e 15/01/2010. ... 69
viii Figura 40 – Representação da resistência sofrida pelo rio Itajaí-Açu e o aumento na vazão do rio Itajaí Mirim devido a presença do canal extravasor. Cenário com vazão extrema de 5100 m³/s no instante de maré vazante de sizígia. ... 70 Figura 41 – Representação do canal extravasor funcionando no cenário com vazão de 5100 m³/s no instante de maré vazante de sizígia. Note que após o canal as vazões do rio Itajaí-Açu tendem a diminuir. ... 71 Figura 42 - Séries temporais de vazão geradas pelo modelo sem o canal extravasor em azul e com o canal extravasor em vermelho. Estes resultados são referentes ao cenário com vazão igual a 3300 m³/s sob efeito das marés astronômicas entre os dias 01/01/2010 e 15/01/2010. ... 72 Figura 43 - Séries temporais de vazão geradas pelo modelo sem o canal extravasor em azul e com o canal extravasor em vermelho. Estes resultados são referentes ao cenário com vazão igual a 4000 m³/s sob efeito das marés astronômicas entre os dias 01/01/2010 e 15/01/2010. ... 73 Figura 44 - Séries temporais de vazão geradas pelo modelo sem o canal extravasor em azul e com o canal extravasor em vermelho. Estes resultados são referentes ao cenário com vazão igual a 5100 m³/s sob efeito das marés astronômicas entre os dias 01/01/2010 e 15/01/2010. ... 74 Figura 45- Séries temporais de elevação geradas pelo modelo sem o canal extravasor em azul e com o canal extravasor em vermelho. Estes resultados são referentes ao cenário com vazão igual a 3300 m³/s sob efeito das marés meteorológicas. ... 76 Figura 46 - Séries temporais de elevação geradas pelo modelo sem o canal extravasor em azul e com o canal extravasor em vermelho. Estes resultados são referentes ao cenário com vazão igual a 4000 m³/s sob efeito das marés meteorológicas. ... 77 Figura 47 - Séries temporais de elevação geradas pelo modelo sem o canal extravasor em azul e com o canal extravasor em vermelho. Estes resultados são referentes ao cenário com vazão igual a 5100 m³/s sob efeito das marés meteorológicas. ... 78 Figura 48 - Séries temporais de vazão geradas pelo modelo sem o canal extravasor em azul e com o canal extravasor em vermelho. Estes resultados são referentes ao cenário com vazão igual a 3300 m³/s sob efeito das marés meteorológicas. ... 80 Figura 49 - Séries temporais de vazão geradas pelo modelo sem o canal extravasor em azul e com o canal extravasor em vermelho. Estes resultados são referentes ao cenário com vazão igual a 4000 m³/s sob efeito das marés meteorológicas. ... 81 Figura 50 - Séries temporais de vazão geradas pelo modelo sem o canal extravasor em azul e com o canal extravasor em vermelho. Estes resultados são referentes ao cenário com vazão igual a 5100 m³/s sob efeito das marés meteorológicas. ... 82
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LISTA DE TABELAS
Tabela 1- Representação das principais constituintes harmônicas. ... 11
Tabela 2 - Dimensões do canal extravasor e dos molhes sul e norte. ... 26
Tabela 3 - Valores recomendados para a amplitude de rugosidade no fundo, para uso no módulo2DH do modelo FIST3D. ... 48
Tabela 4 - Vazões médias utilizadas na modelagem ... 52
Tabela 5 - Vazões extremas utilizadas na modelagem ... 52
Tabela 6 – Constantes Harmônicas utilizadas na modelagem. ... 53
Tabela 7 - Parâmetros estatísticos calculados para validação da elevação. ... 58
Tabela 8- Parâmetros estáticos calculados para validação de corrente. ... 61
Tabela 9 - Elevações média para cada ponto de controle nos cenários modelados em cada evento extremo de vazão sob efeito das marés astronômicas. Suas unidades físicas são metros (m). ... 67
Tabela 10 - Vazões médias para cada ponto de controle nos cenários modelados em cada evento extremo de vazão sob efeito das marés astronômicas. Suas unidades físicas são metros cúbicos por segundo (m³/s). ... 72
Tabela 11 - Elevações médias para cada ponto de controle nos cenários modelados em cada evento extremo de vazão sob efeito das marés meteorológicas positivas. Suas unidades físicas são metros (m). ... 75
Tabela 12 - Elevações médias para cada ponto de controle nos cenários modelados em cada evento extremo de vazão sob efeito das marés meteorológicas negativas. Suas unidades físicas são metros (m). ... 76
Tabela 13 - Vazões médias para cada ponto de controle nos cenários modelados em cada evento extremo de vazão sob efeito das marés meteorológicas positivas. Suas unidades físicas são metros cubicos por segundo (m³/s). ... 79
Tabela 14 - Vazões médias para cada ponto de controle nos cenários modelados em cada evento extremo de vazão sob efeito das marés meteorológicas negativas. Suas unidades físicas são metros cubicos por segundo (m³/s). ... 79
Tabela 15- Eficiências relativas referentes aos eventos extremos de vazão sob efeito das marés astronômicas... 83
Tabela 16 - Eficiências relativas referentes aos eventos extremos de vazão sob efeito das marés meteorológicas positivas. ... 83
Tabela 17 - Eficiências relativas referentes aos eventos extremos de vazão sob efeito das marés meteorológicas negativas... 84
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LISTA DE QUADROS
Quadro 1 - Significado dos termos referentes a equação de quantidade de movimento. ... 33 Quadro 2 - Significado dos termos referentes a equação da continuidade. ... 344
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SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO ... 1 2. OBJETIVOS ... 3 2.1 OBJETIVO GERAL ... 3 2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 3 3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ... 4 3.1 MARÉ ... 4 3.1.1 MARÉ ASTRONÔMICA ... 43.1.1.1 FORÇAS GERADORAS DE MARÉ ... 5
3.1.1.1.1 SISTEMA TERRA-LUA ... 5
3.1.1.1.2 SISTEMA TERRA-SOL ... 8
3.1.1.1.3 INTERAÇÃO DO SISTEMA LUNAR E SOLAR ... 8
3.1.1.2 CONSTITUINTES HARMÔNICAS ... 10
3.1.2 MARÉ METEOROLÓGICA ... 12
3.1.3 MARÉ EM ÁGUAS RASAS E ESTUÁRIOS ... 12
3.2 ESTUÁRIOS ... 13
3.2.1 DINÂMICA ESTUARINA ... 14
3.2.2 CLASSIFICAÇÃO ESTUARINA ... 16
3.2.2.1 CLASSIFICAÇÃO GEOMORLÓGICA DOS ESTUÁRIOS ... 16
3.2.2.1.1 PLANÍCIE COSTEIRA ... 16
3.2.2.1.2 FJORDES ... 17
3.2.2.1.3 CONSTRUÍDO POR BARREIRA ... 17
3.2.2.1.4 ESTUÁRIOS RESTANTES ... 17
3.2.2.2 CLASSIFICAÇÃO CONFORME A ESTRATIFICAÇÃO DE SALINIDADE ... 19
3.2.2.2.1 CUNHA SALINA (Tipo A) ... 20
3.2.2.2.2 MODERADAMENTE OU PARCIALMENTE MISTURADO (Tipo B) ... 20
3.2.2.2.3 VERTICALMENTE BEM MISTURADOS (Tipo C) ... 21
3.3 ENCHENTES E INUDAÇÕES ... 22
3.3.1 MEDIDAS PARA CONTROLE DE ENCHENTES ... 23
3.3.1.1 MEDIDAS ESTRUTURAIS ... 23
3.3.1.2 MEDIDAS NÃO ESTRUTURAIS ... 23
3.3.2 ENCHENTES NO VALE DO ITAJAÍ ... 24
3.4 PLADE - JICA ... 25
xii
3.5 MODELAGEM NUMÉRICA ... 28
3.5.1 MODELO SISBAHIA ... 30
3.5.1.1 MODELO HIDRODINÂMICO 2DH ... 31
3.5.1.1.1 FORMULAÇÃO ... 31
3.5.1.1.2 DISCRETIZAÇÃO ESPACIAL E TEMPORAL ... 34
3.5.1.1.3 CONFLITO DE ESCALAS ... 35
3.5.1.1.4 CONDIÇÕES DE CONTORNO E CONDIÇÕES INICIAIS ... 36
3.5.1.1.5 CALIBRAÇÃO E VALIDAÇÃO ... 37 4. ÁREA DE ESTUDO ... 38 4.1 LOCALIZAÇÃO ... 38 4.2 CARACTERIZAÇÃO ... 39 4.2.1 REGIME DE MARÉ ... 39 4.2.1.1 MARÉ ASTRONÔMICA ... 40 4.2.1.2 MARÉ METEOROLÓGICA ... 40 4.2.2 COMPONENTE FLUVIAL ... 40 4.2.3 MASSAS DE ÁGUA ... 41 4.2.4 REGIME DE VENTO ... 41 4.2.5 CLIMA ... 41 4.2.6 CLIMA DE ONDAS ... 42 4.2.7 ASPECTOS SEDIMENTOLÓGICOS ... 42
4.2.8 ESTUÁRIO DO RIO ITAJAÍ-AÇU ... 42
5. METODOLOGIA ... 43 5.1 DOMÍNIO DE MODELAGEM ... 43 5.2 DISCRETIZAÇÃO ESPACIAL ... 44 5.3 DISCRETIZAÇÃO TEMPORAL ... 47 5.4 DADOS DE ENTRADA ... 48 5.4.1 RUGOSIDADE ... 48 5.4.2 BATIMETRIA ... 48 5.4.2.1 INTERPOLAÇÃO BATIMETRIA ... 49 5.4.3 VAZÕES FLUVIAIS ... 52 5.4.4 MARÉ ASTRONÔMICA ... 52 5.4.5 MARÉ METEOROLÓGICA ... 54 5.5 VALIDAÇÃO ... 55 5.6 ANÁLISE DA EFICIÊNCIA ... 57 6. RESULTADO E DISCUSSÃO ... 58
xiii
6.1 VALIDAÇÃO ... 58
6.1.1 ELEVAÇÃO ... 58
6.1.2 CORRENTE ... 60
6.2 ANÁLISE NOS PADRÕES DE ELEVAÇÃO E VAZÃO ... 65
6.2.1 MARÉ ASTRONÔMICA ... 66 6.2.1.1 ELEVAÇÃO ... 66 6.2.1.2 VAZÃO ... 69 6.2.2 MARÉ METEOROLÓGICA ... 74 6.2.2.1 ELEVAÇÃO ... 75 6.2.2.2 VAZÃO ... 78 6.3 ANÁLISE DA EFICIÊNCIA ... 82 6.3.1 MARÉ ASTRONÔMICA ... 82 6.3.2 MARÉ METEOROLÓGICA ... 83
6.3.3 MARÉ ASTRONÔMICA / MARÉ METEOROLÓGICA ... 84
7. CONCLUSÃO ... 86
8. CONSIDERAÇÕES FINAIS... 87
1
1. INTRODUÇÃO
As enchentes e inundações em regiões costeiras são fenômenos que ocorrem devido a fatores de origem natural e antrópica. Os fatores naturais podem ser divididos em climático-meteorológico, geológico-geomorfológico, flúvio-hidrológico e oceanográfico. Já os fatores antrópicos resultam de intervenções humanas sobre as bacias hidrográficas, de forma direta ou indireta (SOUZA, 2004).
A urbanização descontrolada das cidades brasileiras tem provocado o agravamento das enchentes e a ampliação de sua frequência, além de criar novos pontos de alagamentos. Isto se deve à crescente impermeabilização do solo aumentando o volume pluvial escoado, causando aumentos nas vazões máximas (CRUZ & TUCCI, 2007).
O vale do Itajaí sofreu ao longo de sua história enchentes que causaram muitos prejuízos sociais, econômicos e ambientais. As inundações de 1983, 1984 e 2008 são exemplos do poder destrutivo que estas possuem, deixando centenas de pessoas desabrigadas.
Após as enchentes de 1983 e 1984, autoridades brasileiras firmaram um acordo de cooperação técnica em 1986 entre o DNOS (Departamento Nacional de Obras de Saneamento) e a JICA (Japan International Cooperation Agency), com o objetivo de elaborar um plano diretor (master plan) para controle de enchentes no Vale do Itajaí.
Com a extinção do DNOS em 1990 o legado da JICA sobre os estudos no vale do Itajaí foram repassados ao Governo Estadual de Santa Catarina, elaborando o PLADE (Plano Global e Integrado de Defesa Contra Enchentes – Ecossistema Bacia Hidrográfica do Rio Itajaí-Açu).
O relatório final do PLADE emitido pela JICA em 1990 propõe para região do baixo vale do rio Itajaí-Açu medidas estruturais e não estruturais para contenção das enchentes, destacando-se a construção do canal extravasor com a função de escoar a água excedente em eventos extremos de vazão.
Pelo fato de ser o primeiro projeto de proteção contra as enchentes encaminhado pelo executivo estadual, a iniciativa poderia ser considerada positiva. Entretanto, uma série de questionamentos foram feitos no que diz respeito a sua
2 formulação técnica, institucional, financeira e aos possíveis impactos de sua implementação, principalmente no que diz respeito à desconsideração das marés meteorológicas em seus estudos.
Segundo Carvalho (1994) diagnosticar as possíveis mudanças que o ambiente costeiro poderá vir a sofrer depois da realização das obras propostas é vital para a economia da região do baixo vale do rio Itajaí-Açu, que depende quase que exclusivamente das atividades realizadas no estuário.
Na época em que o projeto foi escrito não havia facilidades na utilização de modelos numéricos computacionais para simulação do escoamento, sendo que várias perguntas sobre a eficiência do projeto e seus impactos ambientais poderiam ser respondidos com a utilização dos mesmos.
Modelos são representações de algum objetivo, numa linguagem ou forma de fácil acesso e uso, com o objetivo de entendê-los e buscar suas respostas para diferentes entradas (TUCCI, 1993).
A necessidade da aplicação de modelos para estudos, projetos e auxílio à gestão de recursos hídricos é inquestionável, face à complexidade do ambiente em corpos de água naturais, especialmente em lagos, reservatórios, estuários e zona costeira adjacente das bacias hidrográficas (ROSMAN, 2010).
Dentro desse contexto, o presente trabalho tem como objetivo analisar a eficiência do canal extravasor projetado pela JICA, em eventos de vazões extremas com marés astronômicas e meteorológicas, utilizando como ferramenta modelos numéricos. O software SisBaHiA® (Sistema Base de Hidrodinâmica Ambiental), registrado pela Fundação Coppetec – Coppe/UFRJ, foi escolhido para realizar o estudo, mais precisamente o modulo de modelagem hidrodinâmico bidimensional (2DH), dominado por forçantes barotrópicas nos quais efeitos de densidade variável possam ser desprezados.
3
2. OBJETIVOS
2.1 OBJETIVO GERAL
O presente trabalho tem como objetivo geral analisar a eficiência do canal extravasor no rio Itajaí-Açu sugerido pela JICA.
2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Aplicar e validar o modelo hidrodinâmico em condições normais de vazão e maré astronômica;
Aplicar o modelo hidrodinâmico nos diferentes cenários: Sem o canal extravasor:
1. Vazão 3300 m³/s com maré astronômica; 2. Vazão 3300 m³/s com maré meteorológica; 3. Vazão 4000 m³/s com maré astronômica; 4. Vazão 4000 m³/s com maré meteorológica; 5. Vazão 5100 m³/s com maré astronômica; 6. Vazão 5100 m³/s com maré meteorológica; Com o canal extravasor:
7. Vazão 3300 m³/s com maré astronômica; 8. Vazão 3300 m³/s com maré meteorológica; 9. Vazão 4000 m³/s com maré astronômica; 10. Vazão 4000 m³/s com maré meteorológica; 11. Vazão 5100 m³/s com maré astronômica; 12. Vazão 5100 m³/s com maré meteorológica;
Analisar os padrões de elevação do nível d’água e vazão nos cenários modelados;
Aplicar o cálculo da eficiência para o canal extravasor nos cenários modelados.
4
3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
3.1 MARÉ
3.1.1 MARÉ ASTRONÔMICA
As principais características das marés astronômicas podem ser sintetizadas pela sua periódica e previsível variação no nível d’água, com períodos comuns de 12 h e 24 h, correspondendo, portanto ondas de longo período (ALFREDINI, 2005).
Suas subidas e descidas do nível d’água, denominados respectivamente de enchente e vazante (Figura 1), estão relacionas as correntes de maré. Quando estamos na máxima elevação da maré (preamar) temos o que chamamos de estofa de maré enchente e na mínima elevação (baixamar) estofa de maré vazante (ALFREDINI, 2005).
Em termos dinâmicos, quando estamos nas estofas de maré as velocidades de correntes são mínimas. No entanto, quando estamos entre as estofas, ou seja, enchendo ou vazando, as velocidades de corrente são máximas (MIRANDA et al., 2002).
Figura 1 - Oscilações periódicas e simétricas de maré com seus respectivos parâmetros: amplitude (a), altura (H), comprimento (λ) e período (T). Note também os instantes de maré: preamar, baixamar, vazante e enchente.
5 Segundo Davies (1964), as marés podem ser classificadas de acordo com suas alturas máximas (Hmax):
Micromarés: Hmax < 2m Mesomarés: 2m < Hmax < 4m Macromarés: 4m < Hmax < 6m Hipermarés: Hmax > 6m
3.1.1.1 FORÇAS GERADORAS DE MARÉ
A principal forçante geradora de maré é a variação da atração gravitacional que a Lua e Sol exercem sobre a Terra, devido à contínua mudança de suas posições relativas, balanceada pela centrífuga dos sistemas Terra-Lua e Terra-Sol (FRANCO, 1988).
3.1.1.1.1 SISTEMA TERRA-LUA
O sistema Terra-Lua apresenta uma revolução de 27,3 dias em torno do centro de massa comum. Sua órbita é elíptica, mas para melhor o entendimento vamos supor que ela é circular (OPEN UNIVERSITY, 1997).
A Terra revolve excentricamente em relação ao centro de massa comum, o que significa que todos os pontos na Terra seguem uma trajetória circular e possuem o mesmo raio. Logo, cada ponto na Terra apresenta a mesma velocidade angular (2π/27,3dias) e consequentemente a mesma força centrífuga (OPEN UNIVERSITY, 1997).
A força centrífuga do sistema Terra-Lua equilibra exatamente as forças de atração gravitacional entre os dois corpos, de modo que o sistema como um todo se mantém em equilíbrio (FRANCO, 1988).
Sendo assim, as forças centrífugas apresentam direções paralelas à linha de união entre os dois centros de massa. Já as magnitudes geradas pela força
6 gravitacional exercida pela Lua na Terra são variáveis, pois nem todos os pontos na Terra apresentam a mesma distância em relação à Lua. Portanto, pontos mais próximos à Lua experimentam uma maior força gravitacional e pontos mais distantes experimentam uma menor força gravitacional. A resultante das forças centrífuga e gravitacional gera o que chamamos de força geradora de maré (Figura 2) (OPEN UNIVERSITY, 1997).
Figura 2 - Derivação das forças geradoras de maré. A força centrífuga tem a mesma magnitude e direção em todos os pontos, enquanto a força gravitacional exercida pela Lua na Terra varia tanto em magnitude quanto em direção. A força geradora de maré em qualquer ponto é resultante das forças gravitacional e centrífuga (modificado OPEN UNIVERSITY, 1997).
A Terra leva 24 horas para completar um ciclo de rotação, enquanto que a Lua realiza um movimento de translação em torno do centro de massa do sistema Terra-Lua num período de 27,3 dias. Os dois giram no mesmo sentido. Desta forma, o período de rotação da Terra em relação à Lua é de 24 horas e 50 minutos (dia
7 lunar). Esta é a razão pela qual o horário de preamar em um determinado local atrasa cerca de 50 minutos de um dia para outro (OPEN UNIVERSITY, 1997) (Figura 3).
Figura 3 - A relação entre um dia solar de 24h e um dia lunar de 24h e 50min. O ponto A na superfície da Terra, a partir do instante em que a Lua está passando diretamente ele retorna sua posição inicial após 24h. Neste tempo a Lua move-se em sua órbita, de mo modo que o ponto A deve rodar adicionalmente 50min para estar novamente sob a Lua (modificado OPEN UNIVERSITY, 1997).
A órbita da Lua não está sempre no mesmo plano que o equador terrestre, apresentando variações em sua declinação que podem chegar até 280 (Figura 4). Quando essa declinação é máxima (maré tropical), o plano das duas protuberâncias estará defasado em relação ao Equador, apresentando máximas desigualdades nos trópicos. Agora, quando a Lua está no mesmo plano equatorial terrestre (maré equatorial) as desigualdades deixam de existir (OPEN UNIVERSITY, 1997).
Por fim, levando em consideração a órbita elíptica do sistema Terra-Lua, podemos notar variações na magnitude das forças geradoras de maré que ganham um incremento no perigeu de 20% e uma redução no apogeu em relação ao valor médio (OPEN UNIVERSITY, 1997).
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Figura 4 - Reprodução das marés tropicais com desigualdades nas médias latitudes devido à declinação da Lua. Um observador no ponto B experimenta uma maior do que no ponto A (modificado OPEN UNIVERSITY, 1997).
3.1.1.1.2 SISTEMA TERRA-SOL
Verifica-se no sistema Terra-Sol um efeito análogo ao sistema Terra-Lua na força geradora de maré, porém com menores magnitudes, pois o Sol está 360 vezes mais afastado da Terra do que a Lua (FRANCO, 1988).
A maré solar possui período semidiurno (12 h). O Sol também detém uma declinação, podendo atingir 230 de cada lado do plano equatorial gerando consequentemente desigualdades que nem observado com a Lua. A órbita da Terra em relação ao Sol também é elíptica, havendo um periélio e afélio igual ao perigeu e apogeu (OPEN UNIVERSITY, 1997).
3.1.1.1.3 INTERAÇÃO DO SISTEMA LUNAR E SOLAR
Considerando o caso mais simples com as declinações nulas da Lua e do Sol, a Figura 5 nos mostra a interação entre a maré lunar e solar, observada de um ponto acima do Polo Norte.
9 Na Figura 5 (A) e (C) as forças geradoras de maré solar e lunar atuam no mesmo rumo, podendo estar em conjunção na Lua Nova ou em oposição na Lua Cheia. Este tipo de configuração acaba produzindo as maiores amplitudes de maré, denominada maré de sizígia.
Na Figura 5 (B) e (D) as forças geradas de maré solar e lunar atuam em ângulo reto entre si, ou seja, estão defasadas. Com isso, as amplitudes de maré são as menores, sendo conhecidas como maré de quadratura.
Figura 5 - Representação esquemática da interação das marés lunares e solares, vistas a partir de um observador no Pólo Norte da Terra. (A) Lua Nova e (C) Lua Cheia, períodos de sizígia; (B) Quarto Crescente e (D) Quarto Minguante, períodos de quadratura (modificado OPEN UNIVERSITY, 1997).
10 3.1.1.2 CONSTITUINTES HARMÔNICAS
Uma série temporal de maré astronômica nada mais é que o somatório de várias constituintes harmônicas, das quais cada uma corresponde ao período de um dos movimentos astronômicos relativos à Terra, ao Sol e à Lua, bem como as interações em água rasas. Portanto, as constituintes harmônicas são ondas senoidais de mesmo período variando sua amplitude e fase em cada ponto da Terra (FRANCO, 1988; PUGH, 1987).
Cada uma das constituintes harmônicas possui um nome e um símbolo (Tabela 1), que são geralmente agrupados conforme seus períodos e podem ser dividas em (FRANCO, 1988):
Sobremarés: constituintes com períodos menores que 9h, produzidos por interação de determinadas constituintes com a batimetria local, comumente encontrados em estuários e águas rasas. Seus símbolos apresentam subscritos iguais ou maiores que 3, indicando que possuem três ciclos ou mais dependendo do número;
Semidiurna: constituintes com períodos de aproximadamente 12h, apresentando em seus símbolos o subscrito 2, indicando que possuem dois ciclos por dia;
Diurna: constituintes com períodos de aproximadamente 24h, apresentando em seus símbolos subscrito 1, indicando que possuem um ciclo por dia;
Baixa frequência: constituintes com períodos entre dias e anos, apresentando um padrão determinado em sua simbologia.
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Tabela 1- Representação das principais constituintes harmônicas.
Símbolo Período (h) Descrição Tipo
K2 11,97 Lunar/Solar Semidiurna
S2 12,00 Solar Semidiurna
M2 12,42 Lunar Semidiurna
N2 12,66 Lunar Elíptica Semidiurna
K1 23,93 Lunar/Solar Diurna
P1 24,07 Solar Diurna
O1 25,82 Lunar Diurna
Mf 327,84 Lunar Baixa frequência
Mm 661,10 Lunar Baixa frequência
Ssa 4526,88 Solar Baixa frequência
A importância relativa dos principais componentes harmônicos diurnos e semidiurnos pode ser obtida pelo que chamamos de número de forma (Nf) (PUGH, 1987):
Onde, K1, O1 e M2, S2 indicam as amplitudes das principais constituintes
diurnas e semidiurnas. De acordo com a variação do número adimensional (Nf) as marés são classificadas como:
0 < Nf < 0,25 – semidiurna;
0,25 < Nf < 1,5 – mista com predominância semidiurna;
1,5 < Nf < 3,0 – mista com predominância diurna;
Nf < 3,0 – diurna.
O método mais usual e satisfatório para previsão de maré é o método harmônico que está relacionado com a decomposição do registro de maré em uma série de movimentos harmônicos. Para realizar esta análise é necessário no mínimo uma série temporal continua de 30 a 32 dias (FRANCO, 1988).
12 3.1.2 MARÉ METEOROLÓGICA
Os principais agentes na variação do nível d’água decorrente da maré meteorológica são a pressão atmosférica e a tensão de cisalhamento do vento. Estas variações também são conhecidas como ressacas (PUGH, 1987).
Portanto, as condições meteorológicas podem alterar consideravelmente as amplitudes de uma determinada maré. O efeito combinado de vento com baixa pressão corresponde a marés meteorológicas positivas, levando perigo de inundação nas planícies costeiras. O efeito oposto é conhecido como maré meteorológica negativa, sendo problemático para navegação em águas rasas (OPEN UNIVERSITY, 1997).
Segundo Pugh (1987) as marés meteorológicas podem ser determinadas a partir da diferença entre os dados aferidos pela previsão harmônica de maré no mesmo intervalo temporal.
O litoral do Brasil entre o Rio Grande do Sul e o sul da Bahia está sujeito aos efeitos meteorológicos com diferentes intensidades. Esta diferença está relacionada com as passagens de frentes frias pelo avanço do Anticiclone Polar Antártico sobre o Anticiclone Tropical Atlântico (ALFREDINI, 2005).
3.1.3 MARÉ EM ÁGUAS RASAS E ESTUÁRIOS
Em estuários e águas rasas as marés astronômicas estão sujeitas a distorções em sua hidrodinâmica que podem juntas modificar seus regulares padrões. Estas distorções podem ser representadas pelas constituintes harmônicas de águas rasas resultado das interações entre as constituintes harmônicas solares e lunares, gerando o que chamamos de marés compostas. Uma maré composta como, por exemplo, a MS4 resulta da interação de duas constituintes: M2 e S2
(FRANCO, 1988). Os constituintes de águas rasas mais comuns são os quarti-diurnos M4 e MS4 (PUGH, 1987).
As distorções que esses ambientes geram nas marés podem ser vistos a seguir (FRANCO, 1988; PUGH, 1987; OPEN UNIVERSITY, 1997):
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Em plataforma continental e áreas costeiras adjacentes: Refração, reflexão e difração;
Redução de celenidade: produzindo aumento da amplitude (empolamento);
Atrito crescente com o fundo: produzindo redução de amplitude.
Em linha de costa convergente, como mares confinados e embocaduras estuarinas:
Maior concentração de energia por unidade de largura, produzindo amplificação das amplitudes;
Ressonância por reflexão da onda de maré, produzindo amplificação das amplitudes.
No interior dos estuários temos dois tipos:
Morfológico de confinamento lateral e redução de profundidade, acarretando em concentração de energia, gerando grandes amplitudes e correntes associadas;
Atrito, produzindo dissipação de energia da onda de maré com redução de amplitude.
3.2 ESTUÁRIOS
Segundo a definição tradicional, estuário é um corpo de água costeiro semifechado, com uma livre ligação ao oceano aberto, no interior do qual a água do mar é mensuravelmente diluída pela água doce oriunda da drenagem continental (CAMERON & PRITCHARD, 1963), com seu limite continental definido como o limite dos efeitos de maré (FAIRBRIDGE, 1980).
Dalrymple et al., (1992) redefiniu o estuário adicionando a origem dos sedimentos que são fluviais e marinhos bem como os processos de ondas, não só dependendo das forçantes maré e descarga fluvial.
14 Dionne (1963) apud Miranda et al., (2002) sugeriu o zoneamento do estuário em 3 setores: a) baixo estuário, predominado os processos marinhos; b) médio estuário, onde há uma intensa mistura entre a água fluvial e marinha; c) alto estuário, onde não há presença da água marinha, observando-se apenas as variações de maré, predominado os processos fluviais.
Kjerfve, (1987) também sugeriu um zoneamento para estuários (Figura 6), divido em: Zona de Maré do Rio (ZR), parte fluvial com salinidade praticamente igual a zero, mas ainda sujeita à influência de maré; Zona de mistura (ZM), região onde ocorre a mistura da água doce da drenagem continental com a água do mar; Zona Costeira (ZC), região costeira adjacente que se estende até a frente da pluma estuarina, a qual delimita a Camada Limite Costeira (CLC).
Figura 6- Seção longitudinal de um sistema estuarino indicando: as zonas de Maré do Rio (ZR), de Mistura (ZM) e a Costeira (ZC). São também apresentadas as características da estrutura vertical de salinidade e circulação média. Qf representa a descarga fluvial do rio (modificado MIRANDA et al., 2002).
3.2.1 DINÂMICA ESTUARINA
Segundo Pritchard (1967) a dinâmica dos estuários depende da geometria do canal, da descarga de água doce, da maré, da salinidade, da circulação da região oceânica adjacente e do vento que atua diretamente ou indiretamente sobre a sua
15 superfície livre. Essas forçantes possuem variação espacial e temporal que atuam simultaneamente sobre o corpo d’água estuarino.
As marés astronômicas em regiões oceânicas e que se propagam pela plataforma continental na forma de ondas são uma das principais forças geradoras dos movimentos e dos processos de mistura nos estuários. Sua influência se propaga estuário acima e abaixo na forma de ondas longas de gravidade (MIRANDA
et al., 2002 apud DEFANT, 1960).
A descarga fluvial oriunda da bacia de drenagem suprirá o estuário de água doce. Esta quantidade d’água drenada depende das condições climáticas, das características do solo, da cobertura vegetal, da ocupação urbana, agrícola e industrial e da evapotranspiração (MIRANDA et al., 2002).
Sendo assim, as correntes de maré interagindo com as descargas fluviais dentro dos estuários geram estratificação na coluna d’água, pelo efeito advectivo e pelo transporte de sal. Esta estratificação gera movimentos bidirecionais que caracterizam o que chamamos de circulação clássica estuarina (MIRANDA et al., 2002).
Os movimentos da circulação estuarina são dividos em médio/macroscópicos e microscópicos. Os macroscópicos são relacionados aos processos advectivos representados pelas correntes de maré, vazões e variação de densidade. Por outro lado, movimentos microscópicos são relacionados aos processos de misturas, denominados de difusão molecular e turbulenta (MIRANDA et al., 2002). Em termos de modelagem os processos advectivos são considerados escalas resolvíveis, enquanto os processos difusivos são escalas não resolvíveis (ROSMAN,1997).
A difusão turbulenta provoca a erosão do gradiente vertical de salinidade, que migra ao longo da coluna d’água de acordo com a intensidade do movimento. Esse processo de mistura estuarina é a combinação da turbulência gerada internamente, por camadas d’águas que se movem com velocidades diferentes (MIRANDA et al. 2002).
Os processos turbulentos podem ser divididos em três tipos segundo Bowden (1958) apud Miranda et al,. (2002):
O que se origina no fundo ou nas suas proximidades e se propaga para a superfície;
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O gerado no interior do fluído devido às flutuações turbulentas de velocidade;
A turbulência originada na superfície livre devido ao atrito com o vento, gerando ondas de gravidade e correntes de deriva.
3.2.2 CLASSIFICAÇÃO ESTUARINA
Os estuários podem ser classificados de duas formas: primeiro em relação a eventos geológicos e geomorfológicos durante sua formação e segundo em relação as suas estratificações de salinidade (NIELSEN, 2009).
3.2.2.1 CLASSIFICAÇÃO GEOMORLÓGICA DOS ESTUÁRIOS
A classificação geomorfológica foi sugerida por Pritchard (1952) e Fairbridge (1980) e podem ser vistos na Figura 7.
3.2.2.1.1 PLANÍCIE COSTEIRA
Esses estuários são típicos de regiões com planície costeira e se formaram durante a transgressão do mar Holoceno, que inundou os vales dos rios. São relativamente rasos chegando no máximo a 30 m de profundidade com área de seção transversal geralmente aumentando estuário abaixo de forma exponencial. Sua razão largura/profundidade é grande. Seu fundo é preenchido por lama e sedimentos finos devido ao processo recente de sedimentação.
Devido a razão largura/profundidade ser grande, a dinâmica estuarina depende da intensidade da descarga fluvial e da altura de maré. Além disso, estes estuários são ricos em sedimentos de origem fluvial, resultado de seus afluentes abundantes em sedimentos.
Estão localizados geralmente em regiões tropicais e subtropicais, sendo comum na costa leste da América do Norte. Contudo, também são encontrados no
17 Brasil, tendo-se como exemplos, os estuários dos rios Itajaí-Açu e São Francisco (MIRANDA et al., 2002).
3.2.2.1.2 FJORDES
Os fiordes formaram-se em regiões que durante o Pleistoceno estavam cobertas com calotas de gelo. A pressão dessas calotas sobre o continente e os efeitos erosivos durante o descongelamento aprofundaram os vales dos rios primitivos deixando um alto fundo rochoso na entrada, denominado de soleira.
Por ser muito profundo e com as trocas de água com o oceano adjacente limitada pela soleira, a água da descarga fluvial e a dinâmica de mistura estuarina ficam refinadas nas camadas mais rasas. Sua razão largura/profundidade é relativamente pequena, quando comparada a estuários de planície costeira.
São ambientes localizados em altas latitudes, comuns no Alasca, Noruega, Chile e Nova Zelândia. Na Noruega existem fiordes cuja soleira fica poucos metros abaixo do nível do mar, enquanto no seu interior podem chegar a centenas de metros (MIRANDA et al., 2002).
3.2.2.1.3 CONSTRUÍDO POR BARREIRA
São estuários formados com a inundação dos vales primitivos de rios durante a transgressão marinha, porém com sedimentação recente formadoras de barreiras na boca.
Esses ambientes são geralmente rasos com profundidades máximas de 30 m, podendo apresentar canais e lagunas extensas em seu interior. Os rios que alimentam estes estuários possuem uma descarga fluvial muito variável durante o ano ocasionando alterações sazonais na geometria da barra.
3.2.2.1.4 ESTUÁRIOS RESTANTES
Os estuários restantes são formados por outros processos como falhas tectônicas, erupções vulcânicas, tremores, deslizamento de terras e processos de
18 sedimentação recentes como, por exemplo, os deltas (MIRANDA et al., 2002). Eles podem ser divididos em:
DELTA DE ENCHENTE
Nas regiões de macro ou hipermaré, com ação moderada a grande de ondas e com transporte fluvial de alta concentração de sedimentos em suspensão, o processo sedimentar favorece o crescimento de ilhas na parte interior do estuário caracterizando um tipo de estuário denominado de delta estuarino ou deltas de enchente. Um exemplo deste ambiente é o delta estuarino do rio Amazonas, no litoral norte brasileiro.
DELTA DE VAZANTE
Já em regiões de micromarés, com ação moderada das ondas e com transporte fluvial de alta concentração sedimentar, o processo sedimentar ocorre na plataforma continental interna, caracterizando, portanto outro tipo de estuário conhecido por delta de vazante ou simplesmente delta. Um exemplo deste ambiente é o delta do rio Mississipi, no golfo do México.
RIA
De origem tectônica, sua formação se deu pela elevação da parte continental onde estava localizado o vale interior do rio (aliviado do peso de glaciares durante o descongelamento), formando esse tipo de estuário denominado de ria. São típicos de regiões montanhosas e altas altitudes, anteriormente ocupada por glaciares. Possuem geralmente morfologia irregular com tributários que drenam a maior parte da região adjacente. Sua geometria pode ser de um canal entrecortando montanhas ou forma afunilada com um aumento de profundidade em direção ao mar, característica esta que pode amplificar as ondas de maré.
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Figura 7 - Tipos fisiográficos de estuários (modificado FAIRBRIDGE, 1980).
3.2.2.2 CLASSIFICAÇÃO CONFORME A ESTRATIFICAÇÃO DE SALINIDADE
Esta classificação permite estabelecer qualitativamente as principais características de circulação na zona de mistura (ZM), abrangendo a grande maioria dos estuários de planície costeira.
Portanto, de acordo com a estratificação vertical de salinidade, Pritchard (1955) sugeriu a seguinte classificação: cunha salina (Tipo A), moderadamente ou parcialmente misturado (Tipo B), bem misturado (Tipo C). Segundo Miranda et al.,
20 (2002) a transição entre os três tipos depende da descarga fluvial, amplitude de maré, componente baroclínico de velocidade e características geométricas com a razão largura/comprimento.
3.2.2.2.1 CUNHA SALINA (Tipo A)
Estes estuários são típicos de regiões com regime de micromaré e rios com grande descarga fluvial. Dominado pela descarga fluvial e pelo processo de entranhamento, que é responsável pelo aumento de salinidade nas camadas superiores (Figura 8). As misturas por difusão turbulenta são desprezíveis, gerando estratificação na coluna d’água (STOMMEL,1953 apud MIRANDA et at., 2002).
Devido às variações da descarga fluvial e da maré, a cunha salina não se mantém estacionária, movendo-se lentamente buscando sempre uma posição de equilíbrio (STOMMEL, 1953 apud Miranda et at., 2002).
Figura 8 - Figura esquemática de um estuário tipo cunha salina. As setas verticais na interface entre os movimentos bidirecionais indicam o processo de entranhamento (modificado Pritchard, 1989).
3.2.2.2.2 MODERADAMENTE OU PARCIALMENTE MISTURADO (Tipo B)
Estuários com gradientes verticais moderados de salinidade são denominados de parcialmente misturados (Figura 9). A energia da maré envolvida nesse processo deve ser suficiente grande para produzir vórtices turbulentos. Estes vórtices irão gerar erosão dos gradientes verticais de salinidade por meio de mistura entre a água fluvial e marinha (Pritchard 1955).
21 Devido a eficiente troca entre as águas fluviais e marinhas gerada pelo processo de difusão turbulenta, a estratificação é diferente daquela do estuário tipo cunha salina.
Os padrões de sizígia e quadratura geram o aumento ou diminuição respectivamente na estratificação de salinidade no estuário.
Figura 9 - Distribuição longitudinal da salinidade e da circulação em um estuário do tipo parcialmente misturado (modificado Pritchard, 1989).
3.2.2.2.3 VERTICALMENTE BEM MISTURADOS (Tipo C)
Esse tipo de estuário (Figura 10) se forma em canais rasos e estreitos forçado por baixas descargas fluviais. Se estiver localizado em uma região com altura de maré moderada ou grande, o cisalhamento das correntes no fundo produzirá turbulência suficiente para misturar toda a água tornando-a homogênea (MIRANDA, 2002).
O componente baroclínico é incapaz de gerar circulação gravitacional, mantendo o movimento estacionário com predominância de escoamento unidirecional estuário abaixo.
Figura 10 - Distribuição da salinidade e da circulação em um estuário do tipo verticalmente homogênio (modificado Pritchard, 1989).
22 3.3 ENCHENTES E INUDAÇÕES
Quando a precipitação é intensa a quantidade de água que chega simultaneamente ao rio pode ser superior a sua capacidade de drenagem, resultando em enchentes ou inundações das áreas ribeirinhas, sendo que os problemas resultantes destas dependem do grau de ocupação das várzeas e da frequência com esses eventos acontecem (TUCCI, 1993; CASTRO, 2003).
As condições hidrológicas que causam as enchentes e inundações podem ser de caráter natural ou artificial (TUCCI, 1993; SOUZA, 2004).
As condições naturais são aquelas propiciadas pelas características da bacia em seu estado natural como, por exemplo: geometria da bacia, relevo e declividade, tipo de precipitação, cobertura vegetal e capacidade de drenagem (TUCCI, 1993).
As artificiais são aquelas provocadas por ação antrópica. Alguns exemplos são: obras hidráulicas, urbanização, desmatamento, reflorestamento e uso agrícola. A urbanização e desmatamento produzem um aumento na frequência de ocorrência das enchentes (TUCCI, 1993).
Vale ressaltar que a várzea de inundação é uma condição natural que cresce significativamente nas regiões médias e baixas dos rios, onde a declividade se reduz e aumenta a incidência de áreas planas, propiciando a ocorrência das enchentes (TUCCI, 1993).
Na literatura há grande controvérsia e, até mesmo, confusão no emprego dos termos enchentes e inundação, trazidos do termo flood e flooding.
Sendo assim, enchente pode ser definida como a elevação temporária do nível d’água em um canal de drenagem devido ao aumento da vazão. Por sua vez, inundação pode ser definida como o fenômeno de transbordamento das águas do canal de drenagem para as áreas marginais (planície de inundação e várzeas) quando a enchente atinge a cota máxima da calha principal do rio (CASTRO, 2003).
Além disso, nas zonas litorâneas onde os canais fluvias desembocam existem processos costeiros que também afetam as enchentes e inundações. Estes processos são as marés astronômicas e meteorológicas, que quando somadas principalmente em situações de sizígia podem gerar grande resistência ao escoamento do rio, aumentando a magnitude das enchentes e inundações principalmente nas áreas próximas ao litoral (SOUZA, 2004).
23 3.3.1 MEDIDAS PARA CONTROLE DE ENCHENTES
3.3.1.1 MEDIDAS ESTRUTURAIS
As medidas estruturais são aquelas que modificam o sistema fluvial através de obras de engenharia, com finalidade de reduzir o risco das enchentes. Estas podem ser extensivas ou intensivas (TUCCI, 1993).
As medidas extensivas são aquelas que agem na bacia, procurando modificar as relações entre precipitação e vazão. As medidas intensivas são as que agem no rio e podem ser classificada em três tipos segundo Simons et al., (1977) apud TUCCI (1993):
Aceleram o escoamento: construção de diques, aumento da capacidade de descarga dos rios e corte de meandros;
Retardam o escoamento: reservatórios e bacias de amortecimento;
Desvio de escoamento: são obras com canais de desvio (canais extravasores).
As medidas estruturais não são projetadas para dar proteção completa, sendo que as mesmas quase sempre não são viáveis fisicamente e economicamente. Além disso, elas podem causar uma falsa sensação de segurança, permitindo a ampliação da ocupação das áreas inundáveis, o que futuramente pode causar danos significativos. Portanto, as medidas estruturais em conjunto com as não estruturais podem minimizar significativamente os prejuízos com um custo bem menor (TUCCI, 1993; CASTRO, 2003).
3.3.1.2 MEDIDAS NÃO ESTRUTURAIS
As medidas não estruturais são aquelas em que os prejuízos são reduzidos pela melhor convivência com o ambiente natural (TUCCI, 1997; CASTRO, 2003) e podem ser agrupadas segundo Johnson (1978) apud TUCCI (1997):
24
Regulamentação do uso da terra;
Construções a prova de enchentes;
Seguro de enchentes;
Monitoramento Previsão e Alerta de enchentes.
3.3.2 ENCHENTES NO VALE DO ITAJAÍ
As enchentes e inundações no rio Itajaí-Açu marcaram profundamente a cultura regional e o seu processo de desenvolvimento. Estes fenômenos naturais são comuns no vale do Itajaí, devido a características peculiares como o formato de sua bacia hidrográfica, seu relevo acentuado, sua baixa declividade no trecho mais a jusante e processos costeiros (marés meteorológicas) (AUMOND et al., 2009).
No caso de Itajaí a situação é ainda mais complicada, pois o escoamento do rio Itajaí Mirim para o rio Itajaí-Açu pode ser dificultada pela vazão muito superior deste último. Sabe-se que a inundação de Itajaí deve-se ao transbordamento das águas do Itajaí Mirim, as quais não escoam para o rio Itajaí-Açu. Segundo diversos depoimentos, suspeita-se que o fato tenha se agravado após as canalizações e retificações executadas no rio (TACHINI, 2009).
Os primeiros registros de enchente datam de 1852, somando mais de 70 até os dias de hoje. Este fenômeno ao longo do tempo foi se transformando em desastre natural, pois mais e mais pessoas passaram a viver no vale, utilizando de forma inadequada suas margens (COMITE DO ITAJAÍ, 2008).
As enchentes de 1983 e 1984 foram marcantes, pois assumiram dimensões catastróficas, atingindo níveis d’água que chegaram a 15,46 m com duração de aproximadamente 10 dias. Em decorrência disso, surgiram iniciativas para buscar resolver o problema. Uma delas foi PLADE (Plano Global e Integrado de Defesa Contra Enchentes – Ecossistema Bacia Hidrográfica do Rio Itajaí-Açu), pelo qual a JICA (Japan International Coorperation Agency) foi contratada através do governo federal e estadual a fim de realizar os estudos.
25 3.4 PLADE - JICA
Em 1986 foi firmado um acordo de cooperação técnica entre o DNOS (Departamento Nacional de Obras de Saneamento) e a JICA, oportunidade em que esta comprometeu em elaborar um plano diretor (master plan) de controle de enchentes para o vale do Itajaí.
Para elaboração do plano diretor a JICA se fundamentou no tempo de retorno (Tr) bem como em estimativas dos prováveis prejuízos das enchentes. O tempo de
retorno é um método estatístico definido como o intervalo médio em anos dentro do qual ocorre ou supera-se uma enchente com vazão de magnitude “Q” (PINTO et al., 1976; TUCCI, 1997).
Portanto, considerando o tempo de retorno, a densidade populacional atingida e a extensão dos prejuízos, os trechos do rio Itajaí-Açu ao longo das cidades de Blumenau, Gaspar, Ilhota, Itajaí, Ascurra, Rio do Sul, Lontras, Ituporanga e Brusque, foram selecionados como pontos críticos para elaboração do plano diretor, que foi divido em três níveis de controle (JICA, 1990):
Plano emergencial: visa proteger contra as enchentes com período de retorno de 10 anos e vazão de 3300 m³/s;
Plano de médio prazo: visa proteger contra as enchentes com período de retorno de 25 anos e vazão de 4000 m³/s;
Plano de longo prazo: visa proteger contra as enchentes com períodos de retorno de 50 anos e vazão de 5100 m³/s.
Dentro destes planos foram sugeridas várias medidas estruturais para todo o vale, com o intuito de melhorar o escoamento fluvial, bem como as drenagens urbanas. Entretanto, no presente trabalho serão analisadas somente as medidas para o baixo vale.
Sendo assim, de forma sintetizada, as medidas estruturais sugeridas para o baixo vale foram a construção de diques, aumento da profundidade e largura do rio Itajaí-Açu e Itajaí Mirim e a construção do canal extravasor.
O canal extravasor tem a função de escoar as águas excedentes em eventos extremos diminuindo os níveis d’água. Possui dimensões de aproximadamente 9000
26 m de comprimento, 50 m de largura na base e 10 m de profundidade, sua forma é trapezoidal com declividade de 1:2 (Figura 11). Possui dois molhes em suas extremidades costeiras com a função de prevenir o assoreamento fluvial e/ou depósitos de sedimentos marinhos causados por correntes litorâneas. Sua rota está inserida na praia de navegantes e pode ser vista na Figura 12. Na Tabela 2 serão apresentadas as dimensões do canal extravasor e de seus molhes sul e norte.
Tabela 2 - Dimensões do canal extravasor e dos molhes sul e norte.
Canal Extravasor Molhe Sul Molhe Norte
Forma Trapezoidal Trapezoidal Trapezoidal
Comprimento (L) 9000m 1158m 898m
Largura Base (B) 50m - -
Largura Topo (T) - 10m 10m
Declividade 1 : 2 1 : 2 1 : 2
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Figura 12 - Localização da rota do canal extravasor (coordenadas: UTM / datum: WGS 84).
Além das medidas estruturais citadas acima, a JICA também recomenda medidas não estruturais para todo o trecho do baixo vale. Estas medidas são: manejo de áreas ribeirinhas inundáveis, mudança estruturais em casa e medidas restritivas a novas construções, restrição do uso do solo, um sistema de previsão de enchentes e alerta de cheias, conservação e reflorestamento.
28 3.4.1 PROBLEMAS DO PROJETO (CANAL EXTRAVASOR)
Na elaboração do projeto foi necessário realizar diversos levantamentos de dados pertinentes à construção do canal extravasor como: topografia, batimetria, hidrologia, sedimentologia e processos costeiros.
Sendo assim, alguns problemas foram detectados no que diz respeito aos processos costeiros mais precisamente com o fenômeno de marés. O máximo de elevação no nível d’água considerado no projeto foi de 0,46 m, considerando somente as marés astronômicas, que na verdade podem chegar a 0,6 m. Porem há um problema ainda maior, que é a desconsideração do efeito das marés meteorológicas, que, segundo Trucculo (1998), podem gerar sobre-elevações de 1 m no nível d’água.
Estudos realizados na UNIVALI mostram que 70% dos casos das enchentes e inundações no vale do Itajaí estiveram associados a eventos de marés meteorológicas positivas.
Portanto, questionamentos pertinentes à eficiência do canal devem ser discutidos, uma vez que projetos desta magnitude, mal dimensionados, podem acarretar em enchentes e inundações muito mais catastróficas (TUCCI, 1993).
3.5 MODELAGEM NUMÉRICA
Modelos numéricos computacionais vêm sendo cada vez mais utilizados como ferramenta de análise do comportamento hidrodinâmico de corpos de água naturais. Na engenharia costeira e oceanográfica esta ferramenta ganha importância fundamental e sua utilização é praticamente indispensável em projetos e estudos (CABRAL, 2009; CHEN, 2001).
Modelos permitem integrar informações espacialmente dispersas, interpolar informações para regiões nas quais não há medições, ajudar a interpretação de medições feitas em estações pontuais, propiciar entendimento da dinâmica de processos e prever situações simulando cenários futuros (BLUMBERG & PITCHARD, 1997; ROSMAN, 2010).
29 Uma vez calibrados e validados, são capazes de bem reproduzir valores nos pontos onde se fez medições, não há porque duvidar que possam ser usados para interpolar e extrapolar informações para além de tais pontos (ROSMAN, 2010).
Entretanto, sua utilização de modo inadequado pode levar a resultados enganosos, com graves consequências. Por isso, é essencial que os modeladores tenham entendimento de como se deve usar tais ferramentas, dentro de um processo de modelagem (ROSMAN, 1997).
O processo de modelagem pode ser sintetizado no diagrama apresentado na Figura 13, sendo que a rota usualmente seguida está destacada em amarelo.
Figura 13 - Diagrama do processo de modelagem com destaque em amarelo para rota usualmente seguida (modificado ROSMAN 2010).
A primeira etapa da rota é definir o fenômeno de interesse ou o processo que ser quer modelar. Nesse ponto devem ser claramente definidas as escalas espaço temporais do fenômeno de interesse. Esta fase inclui observações e medições de forma a obter conhecimento qualitativo e quantitativo propiciando a formulação do modelo conceptual que é o primeiro e mais importante dos modelos.
A etapa seguinte consiste em traduzir a formulação física do fenômeno que se quer modelar, baseada nas leis universais ou empíricas, em uma formulação matemática. Dos modelos matemáticos também se pode obter modelos físicos em
30 escalas reduzidas, modelos analógicos, modelos analíticos e modelos numéricos, porém de fato os modelos numéricos são normalmente os mais usados.
Os modelos numéricos implicam geralmente na mudança do espaço contínuo para o discreto, utilizando os métodos de diferenças finitas, elementos finitos e volumes finitos.
Em seguida vem o pré-processamento que se trata de uma etapa comum a qualquer tipo de modelagem, usado para obter informações quantitativas do modelo conceptual. De fato, qualquer que seja o modelo usado para se obter informações quantitativas, antes de obtê-las será necessário preparar o modelo e organizar os dados de entrada. Evidentemente o tipo de pré-processamento a ser feito depende do modelo adotado.
Para os modelos numéricos, os resultados quantitativos desejados serão obtidos via um modelo computacional, que é a tradução de um modelo numérico para uma linguagem computacional que possa ser compilada e executada em um computador.
Após estas etapas, que podemos chamar de pré-processamento, vem o pós-processamento, que nada mais é que avaliar os resultados do modelo computacional através do processo de calibração e validação. Se os resultados gerados após a validação apresentarem coerência com a realidade, o modelo está pronto, sendo o próximo passo a geração de mapas e relatórios técnicos. Todavia, se estes não estiverem de acordo com a realidade são necessárias novas calibrações até que este atinja um padrão aceitável de validação.
3.5.1 MODELO SISBAHIA
O SisBaHiA® (Sistema Base de Hidrodinâmica Ambiental) é um sistema profissional de modelos numéricos computacionais elaborado no Programa de Engenharia Oceânica da COPPE/UFRJ com licença de uso gratuita para fins acadêmicos. Os diversos modelos que este possui estão listados abaixo:
Modelo Hidrodinâmico 2DH/3D;
Modelo de Transporte Euleriano;
31
Modelos de Transporte de Sedimentos e Evolução Morfológica do Fundo;
Modelo de Transporte Lagrangeano – Determinístico;
Modelo de Transporte Lagrangeano – Probabilístico;
Modelo de Campo Próximo para Emissários e Fontes Pontuais;
Modelo de Geração de Ondas;
Modelo de Propagação de Ondas.
O presente trabalho adotou o modelo hidrodinâmico 2DH para corpos d’água totalmente barotrópico, portanto informações pertinentes sobre o mesmo serão discutidas a seguir.
Vale ressaltar que a escolha do tipo de modelo a ser utilizado em um determinado estudo dependerá não só das condições naturais, mas também do tipo do problema que se deseja resolver (MENÉNDEZ, 2003; ROSMAN, 1997).
3.5.1.1 MODELO HIDRODINÂMICO 2DH
O SisBaHiA® possui um modelo hidrodinâmico de linhagem FIST (fitered in
space and time), otimizado para corpos de água naturais. A linhagem FIST
representa um sistema de modelagem para corpos de água com superfície livre composta por uma série de modelos hidrodinâmicos
O FIST3D utiliza uma eficiente técnica numérica em dois módulos, calculando primeiramente os valores da elevação da superfície livre através de um modelamento bidimensional integrado na vertical (2DH) seguido do campo de velocidades.
Com o FIST3D pode-se simular a circulação hidrodinâmica em corpos de água naturais sob diferentes cenários meteorológicos, oceanográficos e fluviais.
3.5.1.1.1 FORMULAÇÃO
A mecânica do movimento para escoamento em regime turbulento é governada pelas equações de Navier-Stokes. Tais equações representam o princípio da conservação da quantidade de movimento (2a Lei de Newton) em
32 conjunto com a equação da continuidade, compondo o modelo matemático fundamental para qualquer corpo de água (ROSMAN, 1997).
O modelo FIST 3D resolve equações de Navier-Stokes com aproximações de águas rasas (pressão hidrostática). Para cada intervalo de tempo, o módulo 2DH determina as componentes das velocidades médias na vertical, na direção x e y, respectivamente, U (x, y, t) e V (x, y, t,); e as elevações da superfície livre, z = ζ(x, y,
t).
A seguir descrevem-se as três equações necessárias para determinar as três incógnitas da circulação hidrodinâmica em um escoamento 2DH integrado na vertical, (ζ, U, V), ou seja, as equações governantes do modelo 2DH.
Equação de quantidade de movimento na direção x integrado na vertical: ̅ ( ̅ ( ̅ ) ) ∑
Equação de quantidade de movimento na direção y integrado na vertical: ̅ ( ̅ ( ̅ ) ) ∑
Equação da continuidade integrada na vertical:
∑
