EFEITOS DA PONTE EURICO GASPAR DUTRA NA MORFOLOGIA DO
RIO PARAGUAI
Thiago Dias Azenha 1; Maurício Felga Gobbi 2
RESUMO – O transporte de sedimentos em corpos d’água pode ser influenciado por diversas ações antrópicas, entre elas a construção de ponte sobre canais, com seus pilares imersos na água. Essas intervenções podem alterar a dinâmica dos rios, alterando as velocidades de escoamento da água e padrões de erosão/sedimentação ao longo do canal, mas principalmente na região da ponte. As obstruções causadas pelos pilares diminuem as velocidades a montante da ponte e aumentam as taxas de deposição de sedimento. Diferentemente, a jusante, as velocidades de escoamento aumentam e predominam os processos erosivos. Esse trabalho analisa os efeitos dos pilares da ponte Eurico Gaspar Dutra sobre a morfologia do rio Paraguai. A área de estudo está localizada no trecho do Passo do Jacaré, distrito de Porto Esperança, no Mato Grosso do Sul. Para essas análises avaliou-se a hidrodinâmica e o transporte de sedimento do rio, com o auxílio de um modelo matemático bidimensional integrado na vertical, o Delft3D. As variações de profundidade antes e após a ponte comprovam que a presença dos pilares altera os processos de transporte. A ausência de pilares faz com que o leito se modifique rapidamente para atingir um novo equilíbrio dinâmico, diminuindo as grandes variações do fundo.
ABSTRACT– Sediment transport in water bodies can be influenced by several human activities, including the construction of a bridge over rivers with its piers inserted in water. These disturbances can be modify the river dynamics, by change the water flow rates and erosion/sedimentation patterns along to the channel, but mainly on the bridge zone. Piers constriction decrease the velocities upstream and increase deposition sediment rates. In contrast, increase downstream flow velocities and prevail erosive processes. This study analyze the Eurico Gaspar Dutra bridge piers effects on the Paraguai River morphological evolution. The study area is stretch Passo do Jacaré, Porto Esperança district, on the Mato Grosso do Sul. The analyzes evaluated the river hydrodynamics and sediment transport with two-dimensional depth-integrated mathematical model, Delft3D. Depth variations upstream and downstream to the bridge prove that the piers presence changes the transport processes. Removal piers make the bed modify quickly to achieve a new dynamic equilibrium, reducing bottom large variations.
Palavras-Chave – Morfologia, transporte de sedimento, pilares.
1) Mestrando do Programa de Pós-graduação em Engenharia Ambiental da Universidade Federal do Paraná, UFPR; Av. Guedner, nº 948, Jardim Santa Rita, CEP 87050-390, Maringá-PR, (44)9884-1790; thi_azenha@hotmail.com
2) Professor associado da Universidade Federal do Paraná, UFPR; R. Rio Grande do Sul, nº 116/84, Curitiba-PR, CEP 80620-080, (41)3320-2021/(41)3361-1133; gobbi@ufpr.br
1 – INTRODUÇÃO
O transporte de sedimento em corpos d’água é um dos fenômenos mais comuns que ocorrem na natureza. Esse transporte pode acontecer em rios, lagos, reservatórios e mares e está relacionado às características hidrodinâmicas e o tipo de sedimento. Os processos de erosão, transporte e deposição podem causar ajustamentos locais e de todo o sistema, no leito e nas margens do canal do rio. Naturalmente, os rios são dinâmicos e as mudanças ocorrem ao longo do tempo como resultado do transporte de sedimento. Porém, se analisado uma escala de tempo grande, é possível observar que as mudanças em um rio tende a flutuar sobre uma condição de equilíbrio conhecido como equilíbrio dinâmico. Perturbações no curso d’água afetam esses transportes e o canal pode se tornar instável. Esses efeitos podem ser causados por barragens, desvios da água, diques, estradas, proteção das margens, remoção de vegetação, urbanização, entre outros.
Outro tipo de perturbação antrópica que pode alterar a dinâmica de um rio são as pontes. As estruturas de uma ponte são obstáculos à passagem da água e, com isso, tendem a diminuir a velocidade do escoamento imediatamente antes da ponte e causar deposição de maiores quantidades de sedimento no leito. Por outro lado, imediatamente após a ponte, o escoamento adquire velocidades e cisalhamentos maiores, pois a água atravessa seções transversais menores, e tendem a solapar o fundo. É por isso que pontes com pilares mal projetados modificam a evolução do leito do rio e, em casos extremos, tendem a ceder.
O presente trabalho tem por objetivo a análise da influência dos pilares da Ponte Eurico Gaspar Dutra na evolução morfológica do leito do rio Paraguai em Porto Esperança, estado do Mato Grosso do Sul, com o auxílio de um modelo bidimensional integrado na vertical. O modelo utilizado foi o Delft3D, desenvolvido pelo WL Delft Hydraulics, Delft, Holanda. Esse modelo foi usado para simulações e análises de escoamentos com superfície livre, transporte de sedimento e processos morfológicos.
2 – REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
O movimento de um fluido escoando através do seu leito tende a mover o material do leito para regiões mais a jusante. Fisicamente, esse fenômeno ocorre quando a tensão de cisalhamento do leito excede um valor crítico. Somado a isso, o transporte de sedimento está relacionado a declividade do canal, a velocidade do escoamento, a vazão de entrada de sedimento e a morfologia do canal. Quando cada um desses parâmetros permitem um rio tornar-se estável, é dito que esse rio alcança um equilíbrio dinâmico.
O transporte de sedimento é classificado de duas formas distintas: transporte de carga de leito e transporte de carga suspensa. Pode-se definir carga suspensa como aquela parte da carga de
sedimento que são mantidos em suspensão por um considerável tempo por ação de componentes ascendentes do escoamento turbulento gerados no leito do canal. Carga de leito é definida como parte do sedimento que se move por saltação, rolamento ou deslizamento, ou seja, o transporte de sedimento ocorre tangencialmente ao fundo (Hassanzadeh, 2012).
A construção de uma ponte provoca alteração no movimento natural dos sedimentos e, por consequência, mudanças morfológicas no leito devido à influência dos pilares. Essa obstrução ao escoamento altera a capacidade local de transporte de água e sedimento.
Bhuiyan et al. (2010) afirmam que estruturas hidráulicas cruzando o caminho do escoamento criam fortes perturbações na dinâmica fluvial, mudando o ciclo natural de um rio e interferindo nos processos de transporte e deposição. Segundo Randle et al. (2006) a constrição pelos pilares provoca velocidades maiores através da ponte, que resulta no aumento da capacidade de transporte. Entretanto, em regiões a montante à constrição as velocidades são baixas, o que reduz a capacidade de transporte e provoca deposição das partículas.
Pathak et al. (1988) provaram esses fenômenos ao estudar as mudanças morfológicas do rio Mandovi, na Índia, sob influência de 13 pilares. A partir das análises dos dados batimétricos de períodos de tempo distintos, observaram que a montante da ponte o rio se tornou mais raso, enquanto os processos erosivos predominavam a jusante.
Uma técnica para avaliação de prováveis condições futuras do leito de rios é a utilização de modelos de transporte de sedimentos e de processos morfológicos, baseados em equações matemáticas para fornecer previsões quantitativas dos fenômenos ocorridos. Estudos que utilizam modelagem morfológica como mecanismo de obtenção de respostas normalmente iniciam-se com a análise dos dados existentes referentes ao local de estudo. Rijn (1993) cita as velocidades do escoamento, a composição do material do leito e os dados batimétricos iniciais, entre outros como componentes desses dados.
A maioria dos escoamentos em canal aberto pode ser tratada aproximadamente como problemas de águas rasas, isso porque o efeito dos movimentos verticais é geralmente insignificante. Assim, as equações bidimensionais integradas na vertical são geralmente aceitas para estudar esses tipos de canais hidráulicos com razoável precisão e eficiência. Steffler e Blackburn (2002) afirmam que a física fundamental é basicamente a mesma para todos os modelos 2D. Todos resolvem a equação da conservação da massa e duas componentes da conservação da quantidade de movimento.
Biswas (2010) estudou os efeitos de pilares de grandes dimensões na morfologia do rio Surma, em Bangladesh, com o auxílio de um modelo morfológico bidimensional (2D). Após simulações com e sem a ponte no domínio, o autor pode comparar perfis transversais do fundo com
os resultados gerados pelo modelo e concluiu que a presença dos pilares torna o leito do rio bastante irregular, principalmente com grandes erosões nos vãos da ponte. Sem os pilares o rio evolui para perfis mais homogêneos.
O Delf3D é um sistema de modelagem integrado para escoamento não-uniforme e fenômenos de transporte bidimensional ou tridimensional em ambientes aquáticos. O modelo resolve as equações de Navier-Stokes para águas rasas sob as suposições de Boussinesq (DELTARES, 2014), nas quais a transferência da quantidade de movimento causado por vórtices turbulentos podem ser modelados com uma viscosidade turbulenta (Carrivick et al, 2009). Esse modelo é capaz de atualizar a batimetria a cada passo de tempo, a partir das evoluções morfológicas causadas por erosões e deposições, além de prever transporte de sedimentos de leito e em suspensão.
As mudanças morfológicas acontecem em escalas de tempo muito maiores que as mudanças hidrodinâmicas. Para minimizar os efeitos desse problema durante as simulações, o Delft3D
apresenta o fator temporal de escala morfológica (fMORFAC), que acelera os efeitos morfológicos.
Dessa forma, os fluxos de erosão e deposição entre o leito e o escoamento são multiplicados por esse fator a cada passo de tempo (DELTARES, 2014).
2 – METODOLOGIA
2.1 – Caracterização da área de estudo
O Rio Paraguai está contido na bacia do Rio Paraná, mais especificamente na sub-bacia do
Rio Paraguai e apresenta uma área de drenagem igual a 371.000 km2. A região do Rio Paraguai
estudada nesse trabalho está localizada no Distrito de Porto Esperança, no município de Corumbá, Estado do Mato Grosso do Sul, mais precisamente na localidade denominada Passo do Jacaré, cujas coordenadas em UTM são 453574.84 m E e 7832057.46 m S, como representada na figura 1.
Um pouco a montante de Porto Esperança, exatamente no Passo do Jacaré, está localizada a ponte ferroviária Eurico Gaspar Dutra que cruza o Rio Paraguai, como representada na figura 2, tombada como patrimônio cultural brasileiro pelo Instituto do Patrimônio Artístico e Histórico Nacional (Iphan).
Figura 2. Ponte Eurico Gaspar Dutra. Fonte: Nakao et al. (2009).
2.2 – Conjunto de dados
Os dados batimétricos utilizados para alimentar o modelo foram obtidos a partir de medições, no ano de 2011, com um ecobatímetro, do tipo ADCP (Acoustic Doppler Current Profiler). Essa coleta de dados atualizou outro levantamento batimétrico realizado em 2008 na região (ITTI, 2012). A figura 3 ilustra a batimetria do rio Paraguai em 2011 e a localização da ponte, onde é possível ver a grande diferença de profundidade antes e depois dos pilares.
Figura 3. Representação da batimetria do rio Paraguai em 2011.
Em Porto Esperança há uma estação de medição de vazão, níveis d’água e cargas de sedimento, sob responsabilidade da Agência Nacional das Águas (ANA), cujo código é 66955000. Apesar de desatualizado, os dados de vazão e de níveis d’água foram coletados no portal do Sistema Nacional de Informações sobre Recursos Hídricos (SNIRH), mantido pela ANA, e se assumiu que o rio tem comportamento semelhante a cada período de cheia e estiagem.
A base de dados sobre cargas de sedimento da região de estudo fornecida pela estação instalada em Porto Esperança é escassa. Os únicos registros de dados de cargas de sedimento da
região são estimativas referentes aos anos de 1960. Dessa forma, para calibrar o modelo, foram utilizados valores médios contidos no relatório de dragagem do ITTI (2012).
2.3 – Validação do modelo hidrodinâmico
A grade computacional construída para o domínio estudado contém 437 linhas na direção M e 52 linhas na direção N, com um total de 22.724 células, como ilustrada na figura 4. Com a grade foi possível interpolar triangularmente os dados batimétricos e construir o domínio computacional que representa rio, como apresentado na figura 5.
Figura 4. Grade computacional do domínio Figura 5. Dados batimétricos interpolados.
Para demonstrar a efetividade da hidrodinâmica do modelo compararam-se as velocidades medidas pelo ADCP e as velocidades obtidas após a simulação do Delft3D para os mesmos dados de vazão. Como se pode ver pela figura 6, que representa uma das seções transversais do rio, a grade interpolada está apta para gerar resultados condizentes com a realidade.
2.4 – Calibração das condições de contorno
As condições de contorno podem superestimar ou subestimar a capacidade de transporte de sedimento próximo à entrada do domínio caso não sejam coerentes com a realidade e afetar os resultados das simulações. Por isso, realizaram-se as calibrações das condições de contorno das cargas de sedimento de leito e suspenso em regime permanente para cada mês do ano, com suas correspondentes vazões e níveis d’água, e determinaram-se as taxas de transporte do rio em seções longe da entrada, mas com características hidráulicas semelhantes. As figuras 7 e 8 ilustram a comparação entre a capacidade de transporte de sedimento de leito e suspenso, próximo e longe da entrada do domínio, para períodos de cheia e estiagem do rio.
Figura 7. Comparação das cargas de leito e suspensa para o período de cheia.
Figura 8. Comparação das cargas de leito e suspensa para o período de estiagem.
3 – RESULTADOS
A partir de uma simulação de um ano sem a presença dos pilares da ponte e em regime não-permanente, avaliou-se o comportamento do rio Paraguai. Nessa implementação os dados médios mensais de vazão, nível d’água e carga de sedimento foram utilizados como dados diários e, para
evolução do leito na ausência dos pilares: uma a montante, mas longe da região da ponte (figura 9), uma a montante e imediatamente próxima à região da ponte (figura 10) e uma a jusante e imediatamente próxima a região da ponte (figura 11).
Figura 9. Evolução do leito a montante e longe da ponte.
Figura 10. Evolução do leito a montante e próximo à ponte.
Longe da região da ponte, o leito se comporta naturalmente, uma vez que não sofre com os efeitos da presença ou da ausência dos pilares. Nota-se também que o leito é bastante homogêneo nessa seção. A batimetria original mostra que ao se aproximar dos pilares, o leito torna-se mais raso devido ao aumento das taxas de deposição. A simulação sem os obstáculos previu que a tendência é aumentar as taxas de erosão e regularizar as profundidades, como consequência do aumento da velocidade de escoamento. Ao contrário, na região a jusante, as taxas de deposição tendem a aumentar, pois naturalmente o rio tende a diminuir as variações de profundidade e voltar ao equilíbrio dinâmico.
4 – CONCLUSÕES
O nível d’água do rio tem grande variação entre períodos de estiagem e de cheia, porém o ritmo das modificações no perfil do fundo do canal é lento, restringindo-se basicamente a grandes alterações região da ponte ao longo dos anos. Pode-se, então, dizer que o rio alcançou o equilíbrio dinâmico, mas que os pilares influenciaram, e ainda influenciam, na variação de profundidade da localidade, com profundidades de 10 metros a mais, em média, nas regiões a jusante. Essa situação pode causar um problema futuro estrutural da própria ponte, onde as profundidades são tão grandes que as fundações dos pilares ficam expostas e tendem a ruírem.
Sem os efeitos da ponte, naturalmente o rio tende a corrigir as grandes desigualdades na profundidade por meio de processos erosivos, correspondentes ao aumento das velocidades de escoamento, e de processos de deposição, devido à diminuição das velocidades, após a retirada do obstáculo. Esses processos físicos foram observados com êxito no modelo Delft3D, principalmente após a calibração das condições de contorno para as cargas de sedimento.
Outros efeitos dos pilares podem ser analisados nessa região, como por exemplo, o solapamento local que escava o sedimento ao redor dos pilares e forma buracos no leito devido à ação de vórtices verticais. Porém, por ser um fenômeno tridimensional e ocorrer em uma escala espacial pequena, a utilização de um modelo tridimensional com um maior conjunto de dados para prever as modificações é inevitável.
5 –BIBLIOGRAFIA
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AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem ao Instituto Tecnológico de Transportes e Infraestrutura (ITTI) e ao Departamento Nacional de Infraestrutura de Transportes (DNIT) pelo fornecimento dos dados referentes ao rio Paraguai usados nesse trabalho.
