Aplicação de um modelo paramétrico para a Estimativa do transporte de sedimentos Arenosos na bacia de campos

Texto

(1)UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO - UFPE CENTRO DE TECNOLOGIA E GEOCIÊNCIAS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL –DECIV Pós-Graduação em Engenharia Civil. RICARDO RODRIGUES MARTINS. APLICAÇÃO DE UM MODELO PARAMÉTRICO PARA A ESTIMATIVA DO TRANSPORTE DE SEDIMENTOS ARENOSOS NA BACIA DE CAMPOS. RECIFE, 2006.

(2) APLICAÇÃO DE UM MODELO PARAMÉTRICO PARA A ESTIMATIVA DO TRANSPORTE DE SEDIMENTOS ARENOSOS NA BACIA DE CAMPOS por. Ricardo Rodrigues Martins. Dissertação apresentada ao Curso de Pós-Graduação do Departamento de Engenharia Civil da Universidade Federal de Pernambuco como requisito parcial à obtenção do título de Mestre em Engenharia Civil. Área de Concentração: Tecnologia Ambiental Recursos Hídricos. Orientador: Jaime Joaquim da Silva Pereira Cabral. Co-orientador: José Antônio Moreira Lima. Co-orientador: Wellington Ceccopieri Belo.. Recife, 31 de janeiro. Departamento de Engenharia Civil da UFPE 2006. e.

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(5) AGRADECIMENTOS. Em primeiro lugar, a meu DEUS, por todas as bênçãos que Ele me concede diariamente e pela coragem e confiança para enfrentar os desafios da vida com alegria e esperança.. Aos meus pais, Wilson Alves Martins e Lisete Rodrigues Tavares Martins, responsáveis pela minha formação moral e pelo homem que eu sou. Seus belos exemplos de vida sempre servirão para mim como modelos de ética, de dignidade, de dedicação e amor à família e de respeito ao próximo.. A minha querida esposa Daiane, por todo seu amor, compreensão, paciência, cumplicidade e apoio, que me foram fundamentais, dando tranqüilidade e ânimo para realização deste trabalho.. Ao grande amigo Professor Jaime Cabral, por sua postura ética e humana, sendo um profissional exemplar, e por todo o incentivo, confiança e apoio que sempre me ofereceu durante a minha carreira, ensinado-me os primeiros passos na pesquisa científica. Em nome dele, agradeço aos demais profissionais que compõem o grupo da Pós Graduação em Engenharia Civil da UFPE e que, direta ou indiretamente, contribuíram para a realização deste trabalho.. À amiga Léa Troina, por todo o apoio e incentivo, encorajando-me no momento certo e ao amigo Dauro Noronha Jr. por ter se empenhado tanto para me permitir ter o tempo necessário para concluir o trabalho dentro do prazo.. À amiga Lis Maria Rabaco, sempre prestativa e atenciosa, ajudando-me na elaboração dos trabalhos que envolviam geoprocessamento..

(6) Aos colegas Eric O. Ribeiro, Leonardo Mendes, Luis Manoel P. Nunes e Luiz Cláudio Antunes, em nome dos quais eu agradeço a todos os colegas do grupo de Oceanografia da gerência de Métodos Científicos do CENPES (CENPES/PDP/MC), pelo apoio no fornecimento e tratamento dos dados oceanográficos.. A colega Jacqueline Amorim, da E&P-SERV/US-SUB-GM, em nome da qual eu agradeço a toda a Gerencia de Serviços Submarinos da Geologia Marinha da PETROBRAS, que me forneceram valiosas informações sobre a área de estudo.. Ao Professor Gilberto Dias, do Laboratório de Geologia Marinha (LAGEMAR/UFF), por ter cedido gentilmente as imagens de sonar das formas de fundo da área de estudo e aos Professores Cláudio Neves e Suzana Vinzón, do Programa de Engenharia Oceânica da COPPE/UFRJ, pelo provimento de material para a revisão bibliográfica.. Ao colega Adriano Viana, pelas dicas importantes sobre os sedimentos encontrados na Bacia de Campos e ao colega José Luiz Osório, da Gerência de Estruturas Oceânicas do CENPES, por fornecer informações de granulometria dos sedimentos de fundo através de consulta ao Banco de Dados Geotécnicos da PETROBRAS.. Ao colega Álvaro Maia, gerente da MC, por todo o apoio e confiança depositados, e por ter permitido que eu dedicasse horas preciosas na elaboração deste trabalho, sem as quais, dificilmente seria possível o concluir. Em seu nome agradeço à PETROBRAS por todo o esforço da Companhia no sentido de permitir a capacitação técnica de sua força de trabalho.. E, especialmente, aos amigos José Antônio Moreira Lima e Wellington Ceccopieri Belo, por compartilharem seus tempo e conhecimento, por terem se colocado inteiramente à disposição e com muita dedicação, paciência e bom humor, terem me orientado de forma decisiva durante toda esta jornada..

(7) APLICAÇÃO DE UM MODELO PARAMÉTRICO PARA A ESTIMATIVA DO TRANSPORTE DE SEDIMENTOS ARENOSOS NA BACIA DE CAMPOS. RESUMO. Estudos sobre os processos de transporte de sedimentos que ocorrem na Bacia de Campos têm grande importância, uma vez que podem contribuir, por exemplo, para o melhor entendimento dos eventos de formação depósitos sedimentares, que são potenciais reservatórios de óleo, ou ainda fornecer elementos que auxiliem na compreensão de alterações nas formas de fundo do leito marinho em áreas onde há dutos submarinos instalados. O presente trabalho consistiu na avaliação do transporte de sedimentos total (de fundo e por suspensão) na camada limite de fundo em quatro pontos distintos da Plataforma Continental, na região próxima ao Cabo de São Tomé (22ºS), localizados em diferentes lâminas d’água. Utilizou-se um modelo paramétrico 1-D que foi adaptado para calcular o transporte a partir de séries históricas simultâneas de correntes e ondas observadas. Também foram considerados dados locais da granulometria dos sedimentos, das formas de fundo e das propriedades termo-halinas da água do mar. O resultados alcançados mostraram que a direção da corrente é determinante na direção do transporte de sedimentos. A direção predominante do transporte resultante foi coerente com os alinhamentos das formas de fundo encontradas em áreas próximas. Observou-se ainda que a influência do clima de ondas, disponibilizando sedimentos para serem transportados por suspensão, diminui com o aumento da profundidade. Concluiu-se, portanto, que o modelo foi capaz de fornecer respostas coerentes com base nos modos de transporte esperados para esta região.. PALAVRAS - CHAVE: Modelo paramétrico. Transporte de sedimentos. Sedimentos não coesivos. Bacia de Campos. Plataforma Continental.. Nome: Ricardo Rodrigues Martins.

(8) APPLICATION OF A PARAMETRIC MODEL TO ASSESS THE SANDY SEDIMENT TRANSPORT IN THE CAMPOS BASIN. ABSTRACT. Studies about sediment transport processes that occur in the Campos Basin are of great importance, since they can contribute for example to improve the comprehension of how the sedimentary deposits, that are potential oil reservoirs, take form or to provide elements that can help to understand the changes in marine bed forms on areas where submarine pipelines were installed. This work is concerned with the assessment of the total sediment transport (bed load and suspended load transport) that occur in the bottom boundary layer. Four distinct spots, located at different water depths in Campos Basin Continental Shelf near Cape S. Tomé (22ºS) were investigated. A 1-D parametric model was adapted in order to calculate the sediment transport making use of waves and current data simultaneously acquired. Additionally, local data of sediment size, bed forms and sea water term haline properties were considered. The achieved results made it evident that the current direction is decisive on the sediment transport direction. The dominant direction of the resultant transport was coherent with the bed forms found in neighboring areas. It was also observed that the influence of the waves, providing sediments for being carried out by suspension, diminishes when the water depth increases. It was concluded that the model is capable of providing acceptable results when compared to the sediment transport behavior expected for that region.. KEY - WORDS: Parametric model. Sediment transport. Non-cohesive sediments. Campos Basin. Continental Shelf.. Name: Ricardo Rodrigues Martins.

(9) LISTA DE FIGURAS. Página. Figura 1.1 -. Localização da Bacia de Campos.. 19. Figura 2.1 -. Seção transversal analisada, localizada da Plataforma. 24. Continental da Bacia de Campos. Figura 3.1 -. Distribuição da velocidade ao longo da profundidade.. 28. Figura 3.2 -. Distribuição da velocidade no escoamento turbulento sob. 28. fundo rugoso. Figura 3.3 -. Representação da espessura da wave boundary layer ( δ ).. 29. ( Ûδ ) corresponde à velocidade de corrente livre. Figura 3.4 -. Secção de uma onda que se dirige da esquerda para a. 32. direita. Os círculos são órbitas que descrevem as partículas de água ao passar da onda. O seu diâmetro na superfície é igual à altura da onda. Figura 3.5 -. Representação dos parâmetros básicos que compõem uma. 33. onda. H = altura da onda; L = comprimento da onda; A = amplitude da onda. Figura 3.6 -. Velocidade. média de retorno ( ur ) na região de breaking. 34. waves. Figura 3.7 -. Perfil de velocidade em ondas que se aproximam da costa.. 35. Figura 3.8 -. Representação esquemática das direções de onda e. 35. corrente. Figura 3.9 -. Obtenção de d50 e de d90 através da curva de distribuição. 37. granulométrica de uma amostra de sedimentos de fundo. Figura 3.10 -. Perfis de velocidades e de concentração de sedimentos no. 40. processo de transporte de sedimentos. Figura 4.1 -. Batimetria da Bacia de Campos.. 50.

(10) Figura 4.2 -. Faciologia de fundo da Bacia de Campos.. 51. Figura 4.3 -. Imagem de sonar de varredura lateral mostrando um. 53. exemplo de formas de fundo que podem ser encontradas da porção externa da Plataforma Continental da Bacia de Campos. Comprimento de onda de cerca de 10 metros. Figura 4.4 -. Imagem de detalhe das feições de fundo que podem ser. 54. encontradas na porção interna da Bacia de Campos. As cristas são aparentemente simétricas e com comprimento de onda em torno de 1,5 m. Figura 4.5 -. Registro sísmico de porção da Plataforma Interna, a sudeste. 54. da área de estudo, mostrando o contato brusco entre fácies: areia grossa (tonalidade clara) e areia fina (tonalidade escura). Figura 4.6 -. Mosaico. sonográfico. georreferenciado. de. porção. da. 55. Plataforma Interna, a sudeste da área de estudo, mostrando o contato brusco entre fácies: areia grossa (tonalidade escura) e areia fina (tonalidade clara). Figura 4.7 -. Relações de tempo x espaço dos diferentes processos. 56. físicos no oceano que têm impacto na sedimentação: 1 = ondas de superfície; 2 = ondas internas; 3 = oscilações de maré (a = semi-diurnas, b= diurnas); 4 = vórtices oceânicos e ondas de Rossby; 5 = variações sazonais; 6 = grandes giros oceânicos; 7= estratificação do oceano. Figura 4.8 -. Distribuição de massas d’água para distintas profundidades:. 57. Água Costeira, Água Tropical, Água Central do Atlântico Sul, Água Intermediária Antártica, Água Circumpolar Superior e Água Profunda do Atlântico Norte. Figura 5.1 -. Batimetria da Bacia de Campos: posição das coordenadas de interesse. Curvas de nível a cada 50 m.. 62.

(11) Figura 5.2 -. Séries históricas de velocidade de corrente de fundo e. 65. respectivas direções em PT1, medidas a 2 m do fundo em LDA de 14 m. Figura 5.3 -. Séries históricas de velocidade de corrente de fundo e. 65. respectivas direções em PT2, medidas a 2 m do fundo em LDA de 25 m. Figura 5.4 -. Séries históricas de velocidade de corrente de fundo e. 66. respectivas direções em PT3, medidas a 5 m do fundo em LDA de 65 m. Figura 5.5 -. Séries históricas de velocidade de corrente de fundo e. 66. respectivas direções em PT4, medidas a 2 m do fundo em LDA de 100 m. Figura 5.6 -. Freqüência [%] e intensidades de correntes de fundo [m/s] –. 67. LDA 14 m. Figura 5.7 -. Freqüência [%] e intensidades de correntes de fundo [m/s] –. 68. LDA 25 m. Figura 5.8 -. Freqüência [%] e intensidades de correntes de fundo [m/s] –. 69. LDA 60 m. Figura 5.9 -. Freqüência [%] e intensidades de correntes de fundo [m/s] -. 70. LDA 100 m. Figura 5.10 -. Série histórica das alturas significativas [m] observadas em PT1. e. os. registros. correspondentes. utilizados. 72. no. preenchimento de falhas multiplicados por um fator de ajuste de 0.6. Figura 5.11 -. Série histórica de períodos de pico [s] observadas em PT1 e. 72. os registros correspondentes utilizados no preenchimento de falhas. Figura 5.12 -. Freqüência de ocorrência e HS por direção observados no ponto PT1.. 74.

(12) Figura 5.13 -. Freqüência de ocorrência e HS por direção observados no. 76. ponto PT2. Figura 5.14 -. Freqüência de ocorrência e HS por direção observados no. 77. ponto PT3. Figura 5.15 -. Freqüência de ocorrência e HS por direção observados no. 79. ponto PT4. Figura 5.16 -. Mapa de faciologia de fundo da Bacia de Campos com. 81. indicação das coordenadas dos pontos estudados. Figura 5.17 -. Curva granulométrica estimada para o ponto PT1.. 82. Figura 5.18 -. Curva granulométrica estimada para o ponto PT2.. 82. Figura 5.19 -. Curva granulométrica estimada para o ponto PT3.. 82. Figura 5.20 -. Curva granulométrica estimada para o ponto PT4.. 83. Figura 5.21 -. Temperatura média da água observada na Região Central. 89. Rasa da Bacia de Campos. Figura 6.1 -. Séries históricas de ondas e correntes observadas e das. 92. taxas de transporte instantâneo [kg/s/m] calculadas em PT1: LDA=14 m. Figura 6.2 -. Séries históricas de ondas e correntes observadas e das. 93. taxas de transporte instantâneo [kg/s/m] calculadas em PT2: LDA=25 m. Figura 6.3 -. Séries históricas de ondas e correntes observadas e das. 94. taxas de transporte instantâneo [kg/s/m] calculadas em PT3: LDA=65 m. Figura 6.4 -. Séries históricas de ondas e correntes observadas e das taxas de transporte instantâneo [kg/s/m] calculadas em PT4: LDA=100 m.. 95.

(13) Figura 6.5 -. Comparação entre as séries históricas das taxas de. 96. transporte total e das taxas de transporte por suspensão (vermelho) e de carga de fundo (verde) em PT1: LDA = 14 m. Os eventos a, b e c mostram picos significativos de transporte. Figura 6.6 -. Comparação entre as séries históricas das taxas de. 96. transporte total e das taxas de transporte por suspensão (vermelho) e de carga de fundo (verde) em PT2: LDA = 25 m. Os eventos a, b e c mostram picos significativos de transporte. Figura 6.7 -. Comparação entre as séries históricas das taxas de. 97. transporte total e das taxas de transporte por suspensão (vermelho) e de carga de fundo (verde) em PT3: LDA = 65 m. Os eventos d e e mostram picos significativos de transporte. Figura 6.8 -. Comparação entre as séries históricas das taxas de. 97. transporte total e das taxas de transporte por suspensão (vermelho) e de carga de fundo (verde) em PT2: LDA = 100 m. O evento f mostra um pico significativo de transporte. Figura 6.9 -. Comparação entre as séries históricas das taxas observadas. 101. de transporte total em PT1 (azul) e PT2 (vermelho). Figura 6.10 -. Séries históricas de ondas e correntes observadas e das. 102. taxas de transporte instantâneo [kg/s/m] calculadas na simulação adicional. em PT2, utilizando os parâmetros. granulométricos de PT1. Figura 6.11 -. Comparação entre as séries históricas das taxas de transporte total (em azul) e as taxas de transporte por suspensão (em vermelho) e de carga de fundo (em verde), calculadas na simulação adicional em PT2 utilizando os parâmetros granulométricos de PT1.. 103.

(14) Figura 6.12 -. Comparação entre a direção da corrente (verde) e a direção. 104. do transporte total (vermelho). Figura 6.13 -. Representação gráfica do cálculo de ∆α.. 105. Figura 6.14 -. Taxas de médias de transporte (kg/s/m) integradas na. 107. camada limite de fundo calcula em 16 direções: PT1 - LDA 14 m. Figura 6.15 -. Taxas de médias de transporte (kg/s/m) integradas na. 107. camada limite de fundo calcula em 16 direções: PT2 - LDA 25 m. Figura 6.16 -. Taxas de médias de transporte (kg/s/m) integradas na. 108. camada limite de fundo calcula em 16 direções: PT3 - LDA 65 m. Figura 6.17 -. Taxas de médias de transporte (kg/s/m) integradas na. 108. camada limite de fundo calcula em 16 direções: PT4 - LDA 100 m. Figura 6.18 -. Freqüência por direção dos eventos de transporte calculados. 109. para o ponto PT1 – LDA 14 m. Figura 6.19 -. Freqüência por direção dos eventos de transporte calculados. 110. para o ponto PT2 – LDA 25 m. Figura 6.20 -. Freqüência por direção dos eventos de transporte calculados. 110. para o ponto PT3 – LDA 65 m. Figura 6.21 -. Freqüência por direção dos eventos de transporte calculados. 110. para o ponto PT4 – LDA 100 m. Figura 6.22 -. Massa total de sedimentos transportada na camada limite de. 111. fundo por direção no ponto PT1 durante 5316 h de observação dividida por este período. Figura 6.23 -. Massa total de sedimentos transportada na camada limite de fundo por direção no ponto PT2 durante 6793 h de observação dividida por este período.. 112.

(15) Figura 6.24 -. Massa total de sedimentos transportada na camada limite de. 112. fundo por direção no ponto PT3 durante 7912 h de observação dividida por este período. Figura 6.25 -. Massa total de sedimentos transportada na camada limite de fundo por direção no ponto PT4 durante 4468 h de observação dividida por este período.. 112.

(16) LISTA DE TABELAS. Página. Tabela 3.1 -. Freqüência de Brunt-Vasäilä estimada em função da. 31. profundidade para a Bacia de Campos. Tabela 5.1 -. Localização e período de medição das campanhas de. 61. correntometria de fundo da Bacia de Campos selecionadas para a aplicação do modelo de transporte de sedimentos. Tabela 5.2 -. Diagrama de dispersão do ponto PT1 – jul.1999 - jul. 2000.. 67. Tabela 5.3 -. Diagrama de dispersão do ponto PT2 – ago.1999 - maio. 68. 2000. Tabela 5.4 -. Diagrama de dispersão do ponto PT3 – ago.1999 / set. 2000.. 69. Tabela 5.5 -. Diagrama de dispersão do ponto PT4 – jul. 1992 / jan. 1993.. 70. Tabela 5.6 -. Distribuição de HS [m] e direções associadas [º] observadas. 74. no ponto PT1 – jul.1999 - jul. 2000. Tabela 5.7 -. HS [m] e TP [s] observados no ponto PT1– jul.1999 - jul.. 75. 2000. Tabela 5.8 -. Distribuição de HS [m] e direções associadas [º] observadas. 75. no ponto PT2– ago.1999 - maio 2000. Tabela 5.9 -. HS [m] e TP [s] observados no ponto PT2 – ago.1999 - maio. 76. 2000. Tabela 5.10 - Distribuição de HS [m] e direções associadas [º] observadas. 77. no ponto PT3 – ago. 1999 / set. 2000. Tabela 5.11 - HS [m] e TP [s] observados no ponto PT3 – ago.1999 / set.. 78. 2000. Tabela 5.12 - Distribuição de HS [m] e direções associadas [º] observadas no ponto PT4 – jul. 1992 / jan. 1993.. 78.

(17) Tabela 5.13 - HS [m] e TP [s] observados no ponto PT4 – set.1992 / jan.. 79. 1993. Tabela 5.14 - Distribuição granulométrica das amostras de sedimentos. 81. superficiais de fundo marinho empregadas na estimativa dos parâmetros de granulometria. Tabela 5.15 - Parâmetros granulométricos estimados para aplicação do. 84. modelo de transporte de sedimentos. Tabela 5.16 - Escala de tamanho de grãos. Relação entre escalas φ e mm.. 84. Tabela 5.17 - Temperatura ( T ) e Salinidade ( SA ) para cada ponto e. 89. analisado. Tabela 6.1 -. Eventos. significativos. de. transporte. de. sedimentos. 99. identificados nas séries temporais de taxa de transporte de sedimentos calculadas. Tabela 6.2 -. Eventos nos quais ocorreram valores relativamente elevados. 100. de altura significativa de onda (HS) associados a valores relativamente baixos de velocidade de corrente de fundo (Vmed). Tabela 6.3 -. Tabela comparativa de entre dois eventos nos quais. 100. ocorreram valores semelhantes de velocidade de corrente, sendo um deles associado a um (HS) relativamente baixo e o outro a um (HS) alto. Tabela 6.4 -. Direções e valor de transporte máximo de sedimentos transportado de carga de fundo, por suspensão e total.. 113.

(18) SUMÁRIO. Página iii v vi vii xiii. AGRADECIMENTOS RESUMO ABSTRACT LISTA DE FIGURAS LISTA DE TABELAS. CAPÍTULO 01 1. INTRODUÇÃO. 19. CAPÍTULO 02 2. HIPÓTESES DE TRABALHO E OBJETIVOS. 23. 2.1 HIPÓTESES DE TRABALHO. 23. 2.2 OBJETIVOS 2.2.1 Objetivo Geral 2.2.2 Objetivos Específicos. 23 24 24. CAPÍTULO 03 3. METODOLOGIA. 26. 3.1 DESCRIÇÃO DO MODELO DE TRANSPORTE DE SEDIMENTOS 3.1.1 Parâmetros de entrada do TRANSPOR 3.1.1.1 Profundidade da Coluna D’Água ( h ) 3.1.1.2 Vetor Velocidade Média na Direção da Corrente ( vR ). 26 27 27 27. 3.1.1.3 3.1.1.4. Parâmetros Característicos das Ondas Velocidade de Retorno Devida ao Transporte de Massa ( ur ). 32 34. 3.1.1.5. Velocidade Próxima ao Fundo Devido à Ação de Ondas ( ub ). 35. 3.1.1.6 3.1.1.7. Direção Entre Ondas e Correntes ( φ ) Propriedades dos Sedimentos. 36 37. 3.1.1.8. Parâmetros de Rugosidade de Fundo. 38.

(19) 3.1.1.9. 3.1.2. 3.1.3. 39. Parâmetros Termo-halinos da Água. 39. Adaptações Realizadas no Procedimento de Cálculo do TRANSPOR para Avaliação das Taxas de Transporte de Sedimentos na Camada Limite de Fundo 3.1.2.1 Adaptações no Cálculo do Transporte dos Sedimentos por Suspensão 3.1.2.2 Adaptações no Cálculo Transporte de Carga de Fundo. 40. 3.1.2.3. 45. Cálculo do Transporte Total. Limitações do TRANSPOR. 44. 45. 3.2 ANÁLISES REALIZADAS. 46. CAPÍTULO 04 4. ÁREA DE ESTUDO. 49. 4.1 FISIOGRAFIA DE FUNDO MARINHO. 49. 4.2 FACIOLOGIA DE FUNDO 4.2.1 Sedimentos da Plataforma Continental. 50 51. 4.3 ASPECTOS OCEANOGRÁFICOS 4.3.1 Correntes Superficiais em (Plataforma Continental) 4.3.2 Ondas. 56 58. Regiões. de. Águas. Rasas. 58. CAPÍTULO 05 5. FONTE DE DADOS. 59. 5.1 DADOS DE CORRENTE 5.1.1 Obtenção e Processamento dos Dados de Corrente de Fundo 5.1.2 Resultados de Corrente de Fundo. 63 63 64. 5.2 DADOS DE ONDA 5.2.1 Obtenção e Processamento dos Dados de Onda 5.2.2 Resultados dos Dados de Onda. 71 71 73. 5.3 SEDIMENTOS DE FUNDO. 80. 5.4 PARÂMETROS DE RUGOSIDADE DE FUNDO. 85.

(20) 5.5 PARÂMETROS FÍSICOS TERMO - HALINOS DA ÁGUA DO MAR. 88. CAPÍTULO 06 6. ANÁLISE E INTERPRETAÇÃO DOS RESULTADOS 6.1 ANÁLISE DAS SÉRIES TEMPORAIS 6.1.1 Correntes 6.1.2 Ondas 6.1.3 Taxas de Transporte de Sedimentos 6.2 ANÁLISE DAS TAXAS MÉDIAS DE TRANSPORTE DE SEDIMENTOS. 90 90 98 98 98 106. 6.3 ANÁLISE DOS GRÁFICOS DE FREQÜÊNCIA DE OCORRÊNCIA DE 109 TRANSPORTE DE SEDIMENTOS POR DIREÇÃO 6.4 ANÁLISE DO TRANSPORTE SEDIMENTOS TOTAL POR DIREÇÃO. 111. CAPÍTULO 07 7. CONCLUSÕES. 115. CAPÍTULO 08 8. RECOMENDAÇÕES PARA ESTUDOS FUTUROS. 117. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS. 118. ANEXO ROTINA ORIGINAL DO PROGRAMA TRANSPOR PARA CÁLCULO 121 DO TRANSPORTE DE SEDIMENTOS NÃO COESIVOS (Van Rijn, 2005).

(21) 19. CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO. A Bacia de Campos está localizada na costa norte do Estado do Rio de Janeiro, na margem sudoeste do Oceano Atlântico Sul, compreendida entre as latitudes -21ºS e -23ºS e entre as longitudes -42ºW e -38ºW (Lima & Viana, 2002) conforme indicado na Fig. 1.1. Nela se encontram as reservas petrolíferas mais importantes do Brasil, atualmente sendo responsáveis pela produção de mais de 1.4 milhões de barris de óleo equivalente por dia, o que corresponde à cerca de 85% da produção nacional de óleo e gás. Sua importância econômica faz com que essa região seja intensamente explorada e que sejam aplicados recursos consideráveis no desenvolvimento de pesquisas que conduzam ao seu melhor aproveitamento.. Brasil. Cadeia Vitória - Trindade. Bacia de Campos Platô de São Paulo. Figura 1.1 - Localização da Bacia de Campos. FONTE: Google Earth ®.. Neste contexto, os estudos sobre os processos de transporte de sedimentos que ocorrem na Bacia de Campos têm grande importância para Engenharia de.

(22) 20 Dutos, uma vez que os. resultados alcançados podem fornecer elementos que. auxiliem na compreensão de alterações nas formas de fundo do leito marinho em áreas onde há dutos submarinos instalados. Segundo Belo (2003), o conhecimento do clima de correntes próximas ao fundo, que é uma grandeza investigada no transporte de sedimentos, pode permitir que a planilha para a identificação de vãos livres da Det Noske Veritas – DNV seja utilizada de forma mais eficiente, permitindo o calçamento de menos vãos sem prejuízos à segurança. Isto resultaria em uma economia significativa, haja vista que um calço de dutos custa em torno de U$ 10,000.00. Viana (1998) estudou as relações entre processos de circulação e a dinâmica de sedimentos na Bacia de Campos, porém na bibliografia consultada não foram encontradas referências específicas sobre estudos pretéritos do transporte de sedimentos na Plataforma Continental da Bacia de Campos utilizando dados locais observados com um grau de detalhamento que utilizasse, por exemplo, séries temporais observadas de ondas e correntes. O estudo do transporte de sedimentos em ambientes marinhos implica no conhecimento do clima de ondas e de correntes atuantes, uma vez que o total de sedimentos disponíveis para transporte na coluna d’água e a taxa com que estes sedimentos serão efetivamente transportados dependerá da atuação de forças agindo no seu leito, provenientes da ação combinada destes forçantes. O transporte de sedimentos também é função de outras características do ambiente analisado, tais como: tamanho dos grãos dos sedimentos, densidade dos sedimentos e da água, formas de fundo existentes, etc. A ação das ondas e das correntes provoca o surgimento de tensões cisalhantes no leito marinho. Inicialmente, quando o valor dessas tensões excede o valor crítico de iniciação do movimento, as partículas dos sedimentos poderão rolar e/ou deslizar umas sobre as outras, porém em contato contínuo com o fundo. Na medida em que os valores das tensões e das velocidades crescem, as partículas irão se mover ao longo do fundo através de saltos mais ou menos regulares, o que é chamado de saltação. Estes três tipos de movimento dos sedimentos compõem o modo de transporte chamado de transporte de carga de fundo. Quando o valor da tensão cisalhante induzir o movimento dos sedimentos com velocidades próximas de exceder a velocidade de queda das partículas, os grãos dos sedimentos podem ser levantados para um nível no qual as forças turbulentas.

(23) 21 na direção vertical serão comparáveis ou até maiores que seu peso submerso, resultando no modo de transporte chamado de transporte por suspensão. Embora não faça parte do escopo deste trabalho, uma vez que será tratado apenas o transporte de sedimentos arenosos, vale ressaltar que as cargas suspensas podem incluir partículas finas de silte, que não são provenientes dos sedimentos encontrado no fundo marinho de uma determinada região, mas que são facilmente transportados por suspensão. Este tipo de sedimento recebe a denominação de wash load. O transporte total corresponde à soma do transporte de carga de fundo e do transporte por suspensão. O presente trabalho consiste, portanto, na avaliação do transporte total de sedimentos não coesivos na camada limite de fundo em quatro pontos distintos da Plataforma Continental da Bacia de Campos, na região próxima ao Cabo de São Tomé (22ºS), localizados em diferentes lâminas d’água. Nessa investigação, foi utilizado um modelo paramétrico 1-D chamado TRANSPOR, cuja versão original foi desenvolvida por Van Rijn (2005). Este modelo foi adaptado para permitir o cálculo do transporte a partir de séries históricas simultâneas de correntes e ondas observados. Também foram pesquisados e considerados neste estudo os dados locais da granulometria dos sedimentos, das formas de fundo e das propriedades termohalinas da água do mar. O Capítulo 2, a seguir, trata das hipóteses de trabalho adotadas bem como dos objetivos a serem alcançados nesta pesquisa. O Capítulo 3 se refere à metodologia empregada. Nele é apresentado o modelo numérico selecionado para o cálculo das taxas de transporte de sedimentos, onde são descritos os dados de entrada necessários ao seu uso, as adaptações realizadas e suas limitações. Também são relatadas as análises realizadas e como os resultados foram tratados. No Capítulo 4 é realizada a descrição da área de estudo. São fornecidas informações sobre fisiografia e faciologia de fundo marinho, sedimentos da Plataforma Continental e aspectos oceanográficos da Bacia de Campos. Estas características forneceram subsídios para o entendimento dos processos relevantes ao estudo de transporte de sedimentos, auxiliando na estimativa dos parâmetros de entrada e na interpretação dos resultados..

(24) 22 O Capitulo 5 apresenta as fontes de dados consultadas, bem como os dados pesquisados que serviram como parâmetros de entrada para as simulações. Os resultados são apresentados e discutidos no Capítulo 6, as conclusões estão listadas no Capítulo 7 e as recomendações para estudos futuros são enumeradas no Capítulo 8. Por fim são listadas as referencias bibliográficas consultadas e é fornecido no Anexo os passos de cálculo executados pela rotina original do TRANSPOR, bem como sua formulação..

(25) 23. CAPÍTULO 2. HIPÓTESES DE TRABALHO E OBJETIVOS. 2.1 HIPÓTESES DE TRABALHO. Sabe-se que os agentes físicos e geológicos operam conjuntamente definindo a movimentação de fluidos e de sedimentos sobre o fundo marinho. Esta interação acontece envolvendo processos que ocorrem em escala de tempo e espaço distintos. Na região de Plataforma Continental os efeitos de ondas de gravidade e de correntes marinhas sobre o fundo marinho – constituído de sedimentos não coesivos, predominantemente na área de estudo da Bacia de Campos – podem refletir um regime diferenciado em função da profundidade e da distancia à linha de costa, onde os processos tipicamente de plataforma (águas rasas), cedem influência para os processos de oceano aberto (águas profundas). Este regime diferenciado pode ter impactos significativos sobre os modos de transporte de sedimentos, caracterizando áreas mais propícias a um modo de transporte em detrimento de outro. Neste trabalho pretende-se endereçar as questões supracitadas com base na aplicação de um modelo de transporte de sedimentos não coesivos (TRANSPOR, Van Rijin, 2005) que foi adaptado para calcular o transporte instantâneo total de sedimentos (de carga de fundo e por suspensão) na camada limite de fundo em quatro pontos distintos da Plataforma Continental da Bacia de Campos, localizados em profundidades distintas.. 2.2 OBJETIVOS. O presente trabalho teve como premissas de investigação os seguintes objetivos:.

(26) 24 2.2.1 Objetivo Geral. O objetivo geral consiste em estudar a dinâmica de transporte de sedimentos em uma seção da Bacia de Campos fora da zona de arrebentação, composta de quatro pontos distintos, nas proximidades do Cabo de S. Tomé (22º S) (Figura 2.1), com base em dados observados (geológicos e oceanográficos) da região de Plataforma Continental e avaliar os modos preferenciais de transporte de sedimentos nesta seção.. J do R a t s Co. m 50 Seçã o tra nsve rsal ana lisad a. Plataforma Continental. m 100. e l ud nta l Ta ine nt o C. Figura 2.1 – Seção transversal analisada, localizada da Plataforma Continental da Bacia de Campos.. 2.2.2 Objetivos Específicos. De forma subordinada, pretende-se ainda: •. Verificar se o modelo TRANSPOR apresentou desempenho esperado para as diferentes províncias em águas rasas da Plataforma Continental;.

(27) 25 •. Examinar se o sentido de transporte de sedimentos é coerente com o sentido predominante do escoamento da corrente nas diferentes províncias da plataforma, ou se o sentido de propagação de ondas é mais importante;. •. Identificar, dentre estas províncias, quais apresentaram predominância de transporte por carga de fundo e quais apresentaram predominância de transporte por suspensão. Espera-se que o transporte por suspensão e de carga de fundo sejam. diferentes em relação ao diâmetro médio dos sedimentos em águas rasas. (por conta da diferente associação dos efeitos de ondas e correntes)..

(28) 26. CAPÍTULO 3. METODOLOGIA. 3.1 DESCRIÇÃO DO MODELO DE TRANSPORTE DE SEDIMENTOS. O desenvolvimento de um modelo de engenharia implica em simular os fenômenos físicos complicados do sistema através de formulações relativamente simples, mas que são suficientemente precisas para representar as características básicas do comportamento real da natureza para uma finalidade específica. Em se tratando do transporte de sedimentos, os modelos se dedicam a quantificar grandezas relacionadas ao movimento das partículas próximas ao fundo e ao transporte das partículas em suspensão. O TRANSPOR é um modelo numérico de engenharia utilizado para a determinação da taxa de sedimentos não coesivos transportados em um determinado ponto, em função de diversos parâmetros de entrada, os quais definem as características do material local e as condições hidrodinâmicas. São calculados: a taxa instantânea de transporte de carga de fundo, a taxa média de concentração de sedimentos em suspensão, o transporte de sedimentos em suspensão associado, e o transporte total integrado tanto para condições de leito plano quanto para leito ondulado. Além disso, são fornecidos como resultados os perfis de velocidade, de transporte e da concentração de sedimento ao longo do eixo vertical (z). Este modelo foi desenvolvido pelo Dr. Leo C. van Rijn da Universidade de Utrecht, e encontra-se disponível em seu livro "Principles of Sediment Transport in Rivers, Estuaries and Coastal Seas" (Van Rijn, 2005). Baseia-se nas conhecidas equações de transporte sedimentar e teoria linear de ondas. A formulação original do TRANSPOR está disponível no ANEXO deste trabalho. A seguir será feita a apresentação dos nove parâmetros correspondentes aos dados de entrada originais do TRANSPOR. Serão relatadas as adaptações realizadas no código original do programa, necessárias para que fosse possível efetuar as análises com as séries históricas de correntes e ondas observadas..

(29) 27 3.1.1 Parâmetros de entrada do TRANSPOR. 3.1.1.1 Profundidade da Coluna D’Água ( h ). Corresponde ao valor, em metros, da profundidade local onde o transporte de sedimentos é estimado. Neste trabalho foram estudados quatro pontos situados em regiões sob colunas d’água de 14, 25, 65 e 100 m.. 3.1.1.2 Vetor Velocidade Média na Direção da Corrente ( vR ). De uma maneira geral, em um escoamento turbulento sob um fundo plano e liso, o fluxo pode ser dividido na profundidade em quatro subcamadas distintas (Figura 3.1): •. a subcamada viscosa, que corresponde à região mais próxima ao fundo, na qual as tensões cisalhantes e a força de coesão entre os grãos são dominantes. Nesta camada o fluxo é laminar;. •. a subcamada de transição, que fica logo acima da subcamada viscosa;. •. a subcamada logarítmica; e. •. a subcamada externa, na qual o fluxo não sofre mais a influência do fundo.. O parâmetro ( vR ) representa a velocidade média na direção da corrente, integrada ao longo da profundidade. O modelo assume que, sob a ação de ondas e de correntes, as velocidades na direção da corrente, se distribuem ao longo da profundidade segundo um perfil logarítmico cujos valores, em cada ponto da profundidade, são dados pela Equação 3.1. Tal hipótese é válida para escoamentos sob fundo rugoso e com profundidades d’água rasas o suficiente para que a camada de fundo se estenda desde o fundo até a superfície da água (Fig. 3.2)..

(30) 28 Superfície da água. Subcamada externa Camada externa. Vr. O. Subcamada logarítmica. 10 m. Camada interna ou de fundo. Subcamada de transição Subcamada viscosa. O. 1m. O. 10 cm. Figura 3.1 – Distribuição da velocidade ao longo da profundidade. FONTE: Adaptado de Van Rijn, 2005.. Nível da água. Estação de correntometria. vR,z. z. Fundo rugoso. Figura 3.2 - Distribuição da velocidade no escoamento turbulento sob fundo rugoso. FONTE: Adaptação de Van Rijn, 2005.. (. vR , z. ).  vR ln 30 z k a   − 1 + ln 30h k a =  vδ ln 30 z k s ,c  ln 90δ k w s ,c . Sendo: vδ =. (. (. (. ) ). (. ) − 1 + ln (30h k ) vR ln 90δ w k a. a. ). z ≥ 3δ w. (3.1) z < 3δ w. (3.2).

(31) 29 Onde: •. h = profundidade da coluna d’água (m);. •. z = distância ao fundo (m);. •. k s ,c = altura de rugosidade relacionada à corrente (m) (ver Subseção 3.1.1.9);. •. k a = rugosidade aparente (m), que computa o efeito da interação entre ondas e correntes, este parâmetro é calculado internamente pelo modelo;. •. vR , z = velocidade na direção da corrente (m/s) em uma posição z acima do fundo;. •. vδ = velocidade na direção da corrente em z = δ do fundo (m/s);. •. δ w = espessura da wave boundary layer, calculada internamente pelo modelo (Anexo - Equação A.15), corresponde à região próxima ao fundo na qual as velocidades originadas das ondas sofrem influência do fundo (m) e pode ser definida como a distância mínima entre o fundo e o nível onde a velocidade se iguala ao valor de pico da velocidade de corrente livre (Fig. 3.3).. Figura 3.3 – Representação da espessura da wave boundary layer ( δ ). ( Ûδ ) corresponde à velocidade de corrente livre. FONTE: Van Rijn, 2005..

(32) 30 Desejava-se aplicar o TRANSPOR em locais com profundidade d’água de até 100 m. Em lâminas d’água dessa ordem a Equação 3.1 deixa de ser válida e sua adoção levaria a uma estimativa errada das velocidades do escoamento e, conseqüentemente, do valor do transporte de sedimentos calculado. Para contornar este problema, modificou-se o código original do modelo, para que fosse calculado inicialmente o valor da altura da camada limite de fundo utilizando a Equação 3.3 (Weatherly & Martin, 1978) que considera no cálculo as condições de fluxo e a estratificação da densidade da coluna d’água.. hbbl.       0.4u* 1.3u*  , h ≤ h = min ; 1/ 4  bbl  f   N 2    f 1 +  02      f   . (3.3). Onde:. hbbl = altura da camada limite de fundo; u* = velocidade de cisalhamento de fundo; f = parâmetro de Coriolis;. N 0 = freqüência de Brunt-Vasäilä.. A velocidade de cisalhamento de fundo ( u* ) é estimada para cada valor do histórico de velocidades ( vr , z ) medido a uma distância ( z ) do fundo pela Equação 3.4: u* =. vr , z κ  30 z   ln k   s ,c . (3.4). onde: κ = Constante de Von Karman = 0.4.. O valor de ( f ) é calculado em função das coordenadas do local através da Equação 3.5..

(33) 31. f = 2Ωsen( Lat ). (3.5). onde: Ω = velocidade angular de rotação da Terra = 7.29 x 10-5 [rad/s]; Lat = latitude [rad].. A Tabela 3.1. a seguir traz os valores adotados para a freqüência de BruntVasäilä na Bacia de Campos, estimados a partir de dados locais (Lima, 1997).. Tabela 3.1 -. Freqüência de Brunt-Vasäilä estimada em função da profundidade para a Bacia de Campos.. H. N 0 (s-1). > 40 m. 1.40 x 10-2. 40 m – 60 m. 1.05 x 10-2. 60 m – 100 m. 0.79 x 10-2. FONTE: Lima (1997).. Após o cálculo da altura da camada limite de fundo, o valor da velocidade média é estimado pela Equação 3.6, baseada nas seguintes hipóteses: •. a razão (k s ,c / 30hbbl ) pode ser desprezada (hipótese também assumida na formulação original do TRANSPOR);. •. o valor da rugosidade aparente é aproximadamente o valor de ( k s ,c ).. vR =.  30 z r ln κ  k s ,c . u*. z r = 0.37 hbbl.    . (3.6) (3.7). Na Equação 3.7, o valor de ( z r ) corresponde à distância ao fundo na qual ( vr , z ) é igual a ( vR ). Adotando o procedimento acima foi possível calcular os valores de ( vR ) correspondentes a cada registro das quatro campanhas de medição de corrente de fundo pesquisadas no Sistema de Informações Meteorológicas e Oceanográficas da PETROBRAS – SIMO. A apresentação desses dados será feita no Capítulo 5..

(34) 32 3.1.1.3 Parâmetros Característicos das Ondas. As ondas são causadas por forças que atuam no fluido tendendo a deformálo, enquanto as forças gravitacionais e de tensão superficial agem tendendo a manter a superfície do fluido (Scofano & Nunes, 2001). Ao passar uma onda, objetos flutuantes na superfície do mar deslocam-se ciclicamente para cima e para baixo em movimento orbitais circulares, conforme indicado na Fig. 3.4. Isso ocorre devido às partículas de água moverem-se também em órbitas circulares quando da passagem sucessiva de cristas e cavados de ondas. Em regiões de águas profundas, onde a profundidade da água é superior a metade do comprimento das ondas, as órbitas diminuem rapidamente de diâmetro com a profundidade e as ondas não afetam o fundo. Em águas rasas, há um achatamento dessas órbitas onde a onda possui energia capaz de atuar sob o fundo marinho, pois parte da sua energia é dissipada no mesmo.. Figura 3.4 – Secção de uma onda que se dirige da esquerda para a direita. Os círculos são órbitas que descrevem as partículas de água ao passar da onda. O seu diâmetro na superfície é igual à altura da onda. Fonte: Adaptado de http://www.poemsinc.org/oceano/waves.htm#motion.. A altura de uma onda, representada na Fig. 3.5 por ( H ) corresponde à distância vertical entre a crista e o cavado. Em um registro de medição essa altura é extremamente variável pois a onda observada, na verdade é o resultado da.

(35) 33 combinação de várias ondas com freqüências e amplitudes distintas, que por sua vez são originadas das diferentes forças que atuam no fluído.. Direção de propagação. L z o. crista x. H. A = H/2. Nível médio do mar. cava. h. fundo. Figura 3.5 – Representação dos parâmetros básicos que compõem uma onda. H = altura da onda; L = comprimento da onda; A = amplitude da onda.. A altura significativa de uma onda ( H S ) é um parâmetro que serve para medir a energia associada às ondas observadas, e corresponde à altura média do terço das maiores ondas presentes em um registro. O período de uma onda, normalmente representado por ( T ) corresponde ao tempo necessário para que um comprimento de onda ( L ) passe por um ponto estacionário. A representação do espectro da onda numa situação real se constitui em um problema que, para o modelo de transporte de sedimentos utilizado neste trabalho, é resolvido valendo-se do fato de que as maiores ondas são as que mais contribuem para o processo de transporte. Por esse motivo, o TRANSPOR utiliza os valores de ( H S ) combinados com períodos de pico associados ( TP ) como os parâmetros característicos das ondas para o processo de transporte de sedimentos. A partir dos valores fornecidos de ( TP ) e de ( H S ), utilizando a teoria linear de ondas, o modelo computa a ação das ondas sob o fundo marinho suspendendo os sedimentos e disponibilizando-os para o transporte. Utilizando o histórico de medição de ondas do SIMO, foram interpoladas séries de ( H S ) e ( TP ) simultâneas ao registros de corrente para o cálculo das taxas de transporte de sedimento. A apresentação desses dados será feita no Capítulo 5..

(36) 34 3.1.1.4 Velocidade de Retorno Devida ao Transporte de Massa ( ur ). Breaking waves são ondas que na medida em que se aproximam da costa crescem em altura devido à diminuição da profundidade e quebram. As cristas dessas ondas geralmente possuem uma aceleração em relação ao restante da onda. Elas quebram quando a relação entre sua altura e o seu comprimento excede um valor crítico que pode variar de acordo com as condições da região, tais como: a profundidade da água ou com as formas de fundo presentes (fundo ondulado, plano, etc). Ondas desse tipo provocam o surgimento velocidades de retorno ao longo da coluna d’água devido ao transporte de massa entre a crista e o cavado (Fig. 3.6). O parâmetro ( ur ) representa a média integrada na profundidade desse perfil de velocidades.. Direção de propagação da onda. ˜ 3/4 HS. Nível médio do mar. ˜ 1/4 HS h. ht. Perfil de velocidade. ur. Perfil de concentração de sedimentos. Nível médio do fundo. Figura 3.6 – Velocidade média de retorno ( ur ) na região de breaking waves. FONTE: Adaptado de Van Rijn (2005).. Este parâmetro não foi utilizado no presente estudo uma vez que nas profundidades correspondentes aos pontos analisados, considerando seus os respectivos históricos de ondas, não há ocorrência de breaking waves..

(37) 35 3.1.1.5 Velocidade Próxima ao Fundo Devido à Ação de Ondas ( ub ). As ondas fora da região de arrebentação ao migrarem para regiões mais rasas, podem induzir velocidades de corrente relativamente baixas próximas ao fundo na direção da propagação das ondas (Fig. 3.7) devido a efeitos não lineares de interação entre o clima de ondas e o fundo marinho.. Direção de propagação da onda. H. h. Nível médio do mar. uS Perfil de velocidade. ht ub Nível médio do fundo. Figura 3.7 – Perfil de velocidade em ondas que se aproximam da costa. FONTE: Adaptado de Van Rijn (2005).. O parâmetro ( ub ) serve para computar esse fenômeno no cálculo dos sedimentos. Ele representa o valor dessa velocidade, medida na direção de propagação da onda. O TRANSPOR fornece duas opções para o usuário poder considerar o efeito de ( ub ): prescrever valores estimados ou permitir o cálculo interno automático baseado nos dados de onda e de corrente fornecidos. A formulação utilizada pelo TRANSPOR baseia-se nos termos de segunda ordem da teoria de Stokes para estimar ( ub ) em função do pico de velocidade orbital calculada próxima ao fundo, na espessura da wave boundary layer (Fig. 3.3), e em função da assimetria entre os picos de velocidade orbitais instantâneas na direção de propagação das ondas e na direção oposta a esta (Anexo – Equação A.20). Neste estudo, uma vez que não se possuíam dados que permitissem uma estimativa realística de valores para este parâmetro, optou-se por utilizar procedimento automático de cálculo do TRANSPOR..

(38) 36 3.1.1.6 Direção Entre Ondas e Correntes ( φ ). Corresponde ao ângulo entre a direção de propagação das correntes e a direção de propagação das ondas, medido no sentido anti-horário (Fig. 3.8).. VR. direção da onda. ur. ub. costa. φ. direção da corrente Figura 3.8 – Representação esquemática das direções de onda e corrente. FONTE: Adaptado de Van Rijn (2005).. Este parâmetro foi calculado a partir dos dados de direção de ondas e de correntes, disponíveis nos históricos de medição de ondas e correntes pesquisados no SIMO. Contudo, as convenções de direção adotadas pela PETROBRAS, que foram aplicadas neste trabalho, divergem das adotadas pelo TRANSPOR nos seguintes aspectos: •. Os ângulos são medidos a partir do Norte Verdadeiro, no sentido horário, diferentemente do TRANSPOR que adota o sentido oposto;. •. O vetor direção das ondas aponta para o lado de onde elas vêm. Por conta das diferenças supracitadas, foi necessária a implementação de. uma rotina adicional no código fonte original do modelo, para que o mesmo fosse capaz de ler as direções de ondas e correntes do histórico e calcular o valor de ( φ )..

(39) 37 3.1.1.7 Propriedades dos Sedimentos. No estudo no transporte de sedimentos é fundamental o conhecimento das propriedades dos sedimentos. Para a aplicação do TRANSPOR, é necessário o fornecimento dos seguintes parâmetros relacionados à distribuição granulométrica do material: o diâmetro mediano dos grãos (d50); o diâmetro maior que 90% do material de uma amostra dos sedimentos (d90); e o diâmetro característico dos sedimentos em suspensão (dS). Os dois primeiros parâmetros citados acima podem ser calculados diretamente das curvas mono-log de distribuição granulométrica de amostras de fundo coletadas no local (Fig. 3.9).. Percentagem Passante (%). CURVA GRANULOMÉTRICA 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0.001. d50 0.01. 0.1. d90 1. 10. Diâmetro dos Grãos (mm). Figura 3.9 – Obtenção de d50 e de d90 através da curva de distribuição granulométrica de uma amostra de sedimentos de fundo.. Observações de campo e de experimentos de laboratório têm mostrado que as partículas em suspensão não se distribuem uniformemente na profundidade no caso de uma composição não-uniforme do material do leito. As partículas mais grossas são suspensas na região próxima ao fundo, enquanto as mais finas são.

(40) 38 suspensas até camadas superiores. Experimentos de laboratório realizados por Van Rijn (1987) com areias finas pobremente selecionadas (d50 = 0.210 mm; desvio padrão = 1.8) conduziram a valores entre 0.6 até 1 para a razão entre tamanho dos sedimentos encontrados em suspensão e os tamanho mediano dos sedimentos do fundo (dS/d50). O mesmo autor cita que uma boa estimativa para o (dS) é 0.8 d50. Não foi possível realizar a coleta de amostras dos sedimentos de fundo exatamente nas coordenadas estudadas. A estimativa desses parâmetros se deu através de consulta os Banco de Dados Geotécnicos da PETROBRAS (BDG), de onde foram identificadas amostras coletadas nas proximidades dos pontos de interesse em distâncias entre 400 m até 5 km (Capítulo 5). A partir das informações das amostras selecionadas, foram traçadas curvas de distribuição granulométrica e calculados os parâmetros dos tamanhos dos sedimentos. O outro parâmetro relacionado aos sedimentos considerado pelo TRANSPOR é a massa específica ( ρ s ). O modelo assume que esta propriedade é constante e igual a 2650 kg/m³ Este valor corresponde aproximadamente ao encontrado nos minerais arenosos e argilosos. No caso de materiais carbonáticos, a massa específica é um pouco menor (entre 2500 e 2650 kg/m³). No código original do modelo, não é permitido ao usuário configurar o valor de ( ρ s ), logo, para se alterar o valor padrão é necessário modificar diretamente o código fonte.. 3.1.1.8 Parâmetros de Rugosidade de Fundo. O TRANSPOR considera o efeito da rugosidade atuando sob o fluxo e influenciando no transporte de sedimentos. Neste caso, é necessário o fornecimento de dois parâmetros:. - k s ,c = Altura da rugosidade de fundo relacionada à ação de correntes; - k s ,w = Altura da rugosidade de fundo relacionada à ação de ondas..

(41) 39 O primeiro parâmetro quantifica a influência do fundo modificando a corrente enquanto o segundo está relacionado à ação do fundo interagindo com as ondas. A determinação desses dados de entrada se constitui em uma tarefa complexa, dada a relação entre a variação dos regimes de escoamento e as formas de fundo existentes em um ambiente. Uma vez que os sedimentos de fundo têm capacidade de se movimentar, as formas do fundo são modificadas sob a ação de fluxos energéticos. Estas modificações alteram a rugosidade do fundo, o que por sua vez influenciam o fluxo. Neste estudo, foram adotados valores de ( k s ,c ) e ( k s ,w ) dentro do intervalo proposto por Van Rijn (2005), uma vez que não se dispunha de informações suficientes para aplicação de uma técnica de cálculo mais consistente. Os valores adotados serão apresentados no Capítulo 5 - Fonte de Dados.. 3.1.1.9 Parâmetros Termo-halinos da Água. O TRANSPOR permite que sejam configurados a salinidade e a temperatura da água. Estes parâmetros influenciam no meio fluido modificando a sua densidade e a sua viscosidade. Eles foram estimados a partir de valores médios observados na área de estudo, disponíveis nas Especificações Técnicas da PETROBRAS para a Bacia de Campos. Os valores adotados serão apresentados no Capítulo 5 - Fonte de Dados.. 3.1.2 Adaptações Realizadas no Procedimento de Cálculo do TRANSPOR para Avaliação das Taxas de Transporte de Sedimentos na Camada Limite de Fundo. O TRANSPOR calcula o valor da taxa de transporte de sedimentos em duas parcelas distintas, uma referente aos sedimentos transportados por suspensão e a outra referente aos sedimentos transportados como carga de fundo. Conforme mencionado anteriormente, o procedimento de cálculo original do modelo está.

(42) 40 disponível no ANEXO. A seguir serão apresentadas as modificações implementadas em cada etapa de cálculo para que o modelo computasse o transporte apenas na camada limite de fundo.. 3.1.2.1. Adaptações no Cálculo do Transporte dos Sedimentos por Suspensão. O cálculo do transporte por suspensão é o resultado da integração na profundidade do produto resultante da distribuição da concentração dos sedimentos na coluna d’água e das velocidades do fluxo devido à ação de correntes e de ondas (Fig. 3.10).. Direção de propagação das ondas. z crista x = L/2. x=L. Nível médio do mar. x. cavado. Transporte por suspensão. h bbl Transporte de carga de fundo. z=a Velocidades orbitais decorrentes da propagação de ondas. Concentração de Velocidades de Transporte corrente próximas sedimentos próximos de ao fundo sedimentos ao fundo. Figura 3.10 – Perfis de velocidades e de concentração de sedimentos no processo de transporte de sedimentos.. O transporte por suspensão ( q s ) integrado na camada limite de fundo na direção da corrente é dado pela Equação 3.8 e na direção da onda pela Equação 3.9..

(43) 41 qs = ρ S ∫. hbbl. qs = ρ S ∫. hbbl. a. a. vR , z cdz. (3.8). u r cdz. (3.9). Onde: •. ( ρ s ) é a massa específica do sedimento;. •. ( a ) é um nível de referência, correspondendo ao maior valor de ( k s ,c ) e ( k s ,w );. •. ( hbbl ) é a altura da camada limite de fundo;. •. ( vR , z ) corresponde ao perfil de velocidade na direção da corrente (Equação 3.1);. •. ( u r ) se refere ao perfil de velocidade de retorno devida ao transporte de massa na direção das ondas (em breaking waves);. •. ( c ) é a sua concentração calculada pela Equação 3.10 (correspondente à equação A.49 do Anexo).. (1 − c ) cws dc =− 0.8 0.4 dz ε s ,cw 1 + (c c0 ) − 2(c c0 ) 5. [. ]. (3.10). Na Equação 3.10, ( c0 ) corresponde à concentração máxima, que é assumida no TRANSPOR como igual a 0.65; a variável ( ws ) representa a velocidade de queda do sedimento em suspensão, e é calculada por:  (1 − s )gd 2   18ν 10ν  0.01(s − 1)gd 3  0.5   − 1 ws  1 + 2 d ν       0.5 1.1[(s − 1)gd ] . 1 < d ≤ 100µm 100 < d ≤ 1000µm. (3.11). d ≥ 1000µm. Para profundidades abaixo do nível de referência a calcula-se a concentração do leito:.

(44) 42 ca = 0.015. d 50 Ta1.5 a D*0.3. (3.12). A variável ( ε s,cw ) da Equação 3.10 se refere ao coeficiente de mistura de sedimento. O coeficiente de mistura ( ε s,cw ) é separado num termo relativo à corrente e outro às ondas:. ε s ,cw = ε s2,c + ε s2,w. (3.13). A Equação 3.14 foi adaptada no código fonte do TRANSPOR para o cálculo do coeficiente de mistura relacionada à corrente, considerando o cálculo do transporte de sedimentos apenas na camada limite de fundo. kβu*,c z (1 − z hbbl ) ε s ,c =  0.25kβ u*,c hbbl. z < 0.5h bbl z ≥ 0.5h bbl. (3.14). Sendo:  g 2  v + u r2 u*,c =   C  R  . (. β = 1 + 2 w s u*s ,c. ). (3.15) (3.16). β max = 1.5. (3.17). C = 18 log(12hbbl k s ,c ). (3.18). k = 0.4 (parâmetro de Von Karman). (3.19). Para que a Equação 3.12 seja resolvida, é necessário o cálculo do parâmetro de partícula ( D* ) e da tensão no leito ( Ta ) no nível de referência ( z = a ) que são estimados, respectivamente, pelas Equações A.6 e A.38 do Anexo.. No cálculo de ( Ta ) é necessário que sejam computados os seguintes parâmetros:.

(45) 43 α cw = coeficiente de interação entre onda e corrente; µc = τc =. f c´ = Fator de eficiência da corrente; fc 1 ρf c vR2 + u r2 = tensão de cisalhamento da corrente no leito; 8. µ w,a =. 0 .6 = eficiência da onda no referencial z = a ; D*. τ w = é a tensão de cisalhamento por ondas no leito; e τ cr = valor crítico de tensão de cisalhamento no leito.. Destes parâmetros, os relacionados às correntes também precisaram ser adaptados para o cálculo do transporte na camada limite de fundo. No caso dos fatores de fricção da corrente (C´, C, f c´ , f c , f a ), esta adaptação resultou em:.  12hbbl C ´ = 18 log  3d 90.   . (3.20).  12hbbl C = 18 log  k s ,c.    . (3.21).  12hbbl f c´ = 0.24 log −2   3d 90.   . (3.22).  12hbbl f c = 0.24 log −2   k s ,c.    . (3.23).  12hbbl f a = 0.24 log −2   ka.   . (3.24). A variável k a representa a rugosidade aparente do leito e é calculada pelo modelo utilizando a Equação A.21 do Anexo. O coeficiente de interação onda-corrente α cw adaptado é dado pela Equação (3.25), sendo seu valor máximo igual a 1..

(46) 44  ln (90δ w k a )   − 1 + ln (30hbbl k s ,c ) =     ln (90δ w k s ,c )  − 1 + ln (30hbbl k a )  2. α cw. 2. (3.25). α cw,max = 1. Vale salientar que o TRANSPOR divide a coluna de água em 10 pontos espaçados exponencialmente, resolvendo o transporte com maior precisão junto ao leito.. 3.1.2.2 Adaptações no Cálculo Transporte de Carga de Fundo. A segunda etapa do modelo consiste no cálculo do material transportado por arrasto, saltação ou rolamento no leito da área estudada. Sua formulação original encontra-se no item 15 do Anexo. Este transporte, representado por ( qb ), é calculado no TRANSPOR em função de características dos sedimentos, da água do mar e das tensões cisalhantes que atuam próximas ao fundo. Estas últimas são decorrentes das velocidades de fluxo provocadas pela ação de ondas e de correntes. Uma vez que o perfil de velocidades foi adaptado para considerar a distribuição logarítmica das velocidades na camada limite de fundo, foi necessário introduzir no código fonte original do TRANSPOR, nesta etapa de cálculo, mais uma modificação. Neste caso, a mudança se deu na equação para o cálculo da velocidade de corrente junto ao fundo (Equação 3.26) necessária à estimativa das tensões cisalhantes do fundo devido à ação da corrente.. vR ,δ =. vR ln (30δ k a ) − 1 + ln (30hbbl k a ). onde δ = (3δ w , k k ,c )max. (3.26). (3.27).

(47) 45 3.1.2.3 Cálculo do Transporte Total. A taxa total dos sedimentos transportados é dado pela soma vetorial das taxas de transporte de sedimento por suspensão ( q s ) e de carga de fundo ( qb ), supracitadas, i.e.: r r r q = qs + qb. (3.28). 3.1.3 Limitações do TRANSPOR. Segundo Van Rijn (2000) as limitações do modelo TRANSPOR são: •. O transporte de sedimentos arenosos pelo fluxo oscilatório (com ou sem um fluxo permanente fraco < 0.1 m/s) é assumido como sendo um processo quase permanente (sem diferenças importantes de fase), o que significa que a formulação do modelo é menos acurada para materiais de fundo com d50<0.2 mm;. •. As taxas de transporte por suspensão relacionados a correntes e ondas para os fluxos resultantes da combinação de ondas e correntes são extremamente dependentes na rugosidade de fundo relacionada as ondas ( k s ,w ). Este último, que por sua vez é um parâmetro de entrada do modelo, não pode ser estimado com uma acurácia satisfatória;. •. O transporte suspenso devido a ação de ondas de alta freqüência é incerto devido à falta de dados de campo para verificação;. •. O transporte de sedimentos arenosos pelo movimento de ondas de baixa freqüência, cujo período é maior que 20 s, não é modelado..

(48) 46 3.2 ANÁLISES REALIZADAS. Utilizou-se o TRANSPOR adaptado para o cálculo de séries temporais de taxas de transporte em quatro locais da Plataforma Continental, escolhidas em diferentes profundidades. Visando observar a correlação existente entre as ondas e as correntes atuantes e o transporte resultante em cada ponto, foram construídos, a partir dos resultados das simulações em cada ponto, os seguintes gráficos: •. gráficos de dispersão de altura significativa [m], velocidade de corrente [m/s] e transporte total observado [kg/m/s];. •. séries temporais de altura significativa [m], direção de incidência das ondas [graus], velocidade de corrente [m/s], direção de incidência da corrente [graus], taxa de transporte total [kg/m/s] e direção do transporte total;. •. séries temporais comparando as taxas de transporte por suspensão de carga de fundo e total [kg/m/s].. Em três dos quatro pontos analisados, as séries temporais de onda e de corrente utilizadas, por possuírem registros pertencentes a um mesmo período, permitiram a analisar se os eventos significativos de transportes calculados em um ponto se repetiram nos outros. Esta investigação foi realizada observando os gráficos de séries temporais de taxa de transporte supracitadas. Ao comparar as séries temporais de direção de ondas e de correntes com a direção do transporte, visou-se identificar se as correntes ou as ondas prevaleciam na direção do transporte e se a influencia das ondas no transporte diminuía com o aumento da profundidade. Para avaliar qual o modo de transporte predominante em cada ponto, qual a direção predominante de cada modo de transporte,. quais as taxas médias de. transporte observadas por direção e qual o transporte total calculado por direção, foram construídos, para cada ponto, os seguintes gráficos: •. gráficos radares da taxa média de transporte por carga de fundo, por suspensão e total; nestes gráficos, o valor da taxa média de transporte obtido para cada direção é calculado pela seguinte expressão:.

(49) 47. ni. qi =. ∑q j =0. j. (3.29). ni. Onde:. qi = taxa média de transporte [kg/m/s] na direção i; q j = valor taxa de transporte calculada [kg/m/s] de um evento j na direção i;. ni = número de eventos de transporte calculados na direção i. •. gráficos radares de freqüência de transporte para cada modo de transporte (por suspensão e de carga de fundo) e para o transporte total; nestes gráficos o valor correspondente de cada direção é calculado dividindo-se o número de registros observados naquela direção pelo número total de registros da série;. •. gráficos radares da soma por direção dos transportes por suspensão, de carga de fundo e total: neste caso, o valor do transporte é calculado para cada direção segundo a Equação 3.33.. ni. ni. Qi =. 3600∑ q j t j =0. nt. =. 3600∑ q j j =0. n. (3.30). Onde:. Qi = transporte total [kg/m/h] na direção i; q j = valor taxa de transporte calculada [kg/m/s] de um evento j na direção i;. ni = número de eventos de transporte calculados na direção i;. n = número de registros simultâneos de onda e de corrente; t = intervalo de tempo entre dois registros consecutivos [s] dos dados de entrada (constante para cada série de dados).. Os valores de transporte total por direção em cada ponto foram divididos pelo tempo de observação das suas respectivas séries temporais de dados de entrada.

(50) 48 utilizadas para que se pudesse comparar, para cada modo de transporte, o transporte total calculado em um ponto com o calculado nos demais. Este procedimento foi necessário uma vez que as séries temporais utilizadas não possuíam a mesma quantidade de registros e os registros, por sua vez, não eram espaçados num mesmo intervalo de tempo..

(51) 49. CAPÍTULO 4. ÁREA DE ESTUDO. 4.1 FISIOGRAFIA DE FUNDO MARINHO. A área de estudo compreende uma seção radial próxima ao cabo de São Tomé (22ºS), que se estende desde a Plataforma Interna até a Plataforma Externa (Figura 4.1). A Plataforma Continental possui uma largura média de 100 km. Na região da quebra de plataforma, a profundidade varia de 80 m mais ao norte até 130 m ao sul, sendo a profundidade média de 110 m. O Talude Continental tem uma extensão de 40 km e é recortado por vários cânions submarinos. O talude possui um gradiente médio de 2,5º, porém, também são encontradas regiões íngremes com inclinações de até 15º. A plataforma apresenta uma protuberância externa integrada ao talude, em profundidades entre 250-350 m (Fig. 4.1). Esta é constituída por um sistema de cumes e vales erosionais baixos e estreitos, com 50 m de altura, 0.5 a 1.0 km de largura, e até 10 quilômetros de comprimento na direção N-S. Abaixo desta zona existe um terraço erosional largo em torno da isóbata de 450 m. Pouco mais ao sul, a borda da plataforma é cortada por diversas reentrâncias e ravinamentos. A base do escarpamento da borda da plataforma neste sítio apresenta uma inversão do gradiente batimétrico que fornece um local favorável para a acumulação de areias. Sob as areias da plataforma existem pequenas irregularidades topográficas, de até 10 m de altura, induzidas pela presença de rochas fósseis de praia e de bancos de carbonato, que atuam como armadilhas para sedimentos (Viana, et al., 1998 a). A base do Talude Continental (ou Elevação Continental) é mais rasa ao norte, estando a uma profundidade de 1.500 m de coluna d’ água, ao passo que ao sul a profundidade é da ordem de 2.000 m (Viana et al., 1998 b). O Platô de São Paulo, localizado ao sul da bacia, na passagem do Talude Continental para a Elevação Continental, é uma província intermediária que possui.