vitória, es

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vitória, es

UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO
CENTRO TECNOLÓGICO
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA
AMBIENTAL
MÁRCIO ALVES MACIEL
MODELAGEM DO PADRÃO DE ESCOAMENTO
NO CANAL DA PASSAGEM (VITÓRIA, ES)
VITÓRIA
2004
MODELAGEM DO PADRÃO DE ESCOAMENTO NO
CANAL DA PASSAGEM, VITÓRIA – ES.
Dissertação submetida ao Programa de PósGraduação em Engenharia Ambiental da
Universidade Federal do Espírito Santo,
como requisito parcial para obtenção do grau
de Mestre em Ciências em Engenharia
Ambiental, na área de concentração em
Recursos Hídricos.
Orientador: Profo Dro. Julio Tomás Aquije
Chacaltana.
VITÓRIA
2004
MODELAGEM DO PADRÃO DE ESCOAMENTO NO
CANAL DA PASSAGEM, VITÓRIA – ES.
Dissertação apresentada ao programa de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental da
Universidade Federal Do Espírito Santo, como requisição parcial para obtenção do grau de
Mestre em Ciências em Engenharia Ambiental.
Aprovada em 1 de março de 2004.
COMISSÃO EXAMINADORA
_____________________________________________________
Profo Dr Julio Tomás Aquije Chacaltana – Orientador
Profo Adjunto do DEA – CT – UFES.
_____________________________________________________
Profo Dr Neyval Costa Reis Junior
Examinador Interno - Universidade Federal do Espírito Santo.
_____________________________________________________
Profo Dr Joseph Harari
Examinador Externo – Universidade de São Paulo – USP.
Dedico este trabalho a DEUS e a nossa Senhora
Aparecida pela saúde, pela força, pelas oportunidades,
pelos obstáculos e pelas conquistas.
Aos meus pais e irmãos pelo apoio incondicional dado
durante a realização deste trabalho.
A UFES (Universidade Federal do Espírito Santo) e a
Coordenação do Mestrado em Engenharia Ambiental
pela oportunidade que me foi dada.
AGRADECIMENTOS
Ao chegar ao final de um trabalho de investigação como este se tem a certeza de
que as dificuldades encontradas no decorrer do estudo seriam ainda maiores sem
a presença e o apoio dos professores, colegas, todos os funcionários da
Universidade Federal do ES (UFES), familiares e amigos. A todos gostaria de
expressar neste trabalho a minha gratidão.
A todos que de alguma forma contribuíram para realização deste trabalho um
grande abraço.
Ao Profº Dro Julio Thomas Aquije Chacaltana, pela orientação segura e pela
amizade.
Ao Prof Dro. Antonio Sergio Mendonça pelo apoio dado no inicio do Mestrado.
A toda equipe do GEARH e EMANA, em especial aos amigos Jose Paulo, Camila,
Amílcar, Fabiola, Mônica, Silvia, Daniel Izoton, Geovane, Cláudio, Andressa Curto
Marques, Gelcílio, J Alan e Tereza pela amizade.
Aos ”Gearhrinos”: Marco Aurélio, Célio, Professor Dro Edimilson, Professor Dro
Daniel Rigo, Roberto, Felipe, Luis André, Leandro, Andresa e outros pelo apoio
dado.
Aos colegas do mestrado e aos que já defenderam: Tarcilo, Jorge, Rodrigo
(perdigão), Maurão, Leandro Melo de Sá, Alessandro, Fernando Musso, Tadeu,
Flavio, Zé Marcos, Wallace, Fernando Grobério, Manoel, Maria Helena e outros.
A CAPES (Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de nível Superior), pela
cessão da bolsa de estudo que tanto ajudou.
À Professora Dra Jane Meri Santos (coordenadora do PPGEA) e ao professor que
antes coordenou (PPGEA) Dro Sérvio Túlio Alves Cassini, ao conterrâneo de
Aimorés Teixeira (secretário do PPGEA) pelo apoio institucional e a todos os
professores do PPGEA UFES.
Aos meus Irmãos: Júlio, Nilcimar, Ailton, Rosa, Rogéria pelo apoio neste estudo.
A Adineria e família pelo apoio e incentivo dado nas horas difíceis.
Lista de Figuras
FIGURA 1.- REGIÃO DE ESTUDO EM DESTAQUE NO RETÂNGULO VERMELHO. FONTE:
(SEAMA) SECRETARIA ESTADUAL DE MEIO AMBIENTE ES VITÓRIA ...................... 12
FIGURA 2.- CONSIDERANDO UMA SEÇÃO LONGITUDINAL DE UM CANAL QUALQUER. SENDO
2
QUE A ÁREA PROJETADA DO ESCOAMENTO (A) É DADA EM [ m ], h É A DISTÂNCIA DA
SUPERFÍCIE ATÉ O NÍVEL MÉDIO DO FUNDO (PROFUNDIDADE DO ESCOAMENTO) EM [ m
], Rh É O RAIO HIDRÁULICO EM [ m ] E P É O PERÍMETRO MOLHADO DO CANAL EM
[ m ].ESQUEMA MODIFICADO DE SMART, 2000 (APUD KUMU 2002). ..................... 19
FIGURA 3.- REPRESENTAÇÃO ESQUEMÁTICA DA FÓRMULA DE CHÉZY PARA UM
ESCOAMENTO UNIFORME EM UM CANAL ABERTO. FONTE: CHOW, 1959. ............... 27
FIGURA 4.- FORMAS E RUGOSIDADE DE FUNDO EM CANAIS DE FUNDO DE TERRA. FONTE:
(G.J. ARCEMENT, JR. AND V.R. SCHNEIDER 1989) GUIDE FOR SELECTING
MANNING'S ROUGHNESS COEFFICIENTS FOR NATURAL CHANNELS AND FLOOD
PLAINS............................................................................................................. 32
FIGURA 5.- ALTURA DA RUGOSIDADE k E A RUGOSIDADE k s DOS GRÃOS. FONTE: KUMU
(2002) ............................................................................................................. 32
FIGURA 6.-CANAL FLUVIAL (ESQUEMÁTICO), x = DIREÇÃO DO FUNDO DO CANAL, POSITIVO
PARA JUSANTE; U = VELOCIDADE MÉDIA NA SEÇÃO NA DIREÇÃO x ; θ = DECLIVIDADE
DO CANAL EM RELAÇÃO À HORIZONTAL (É POSITIVA QUANDO INCLINADA NO SENTIDO
DO ESCOAMENTO); h = ALTURA D’ ÁGUA TOTAL (NA DIREÇÃO z ) A PARTIR DO FUNDO.
FONTE: MODIFICADO DE (MELO, 1998)............................................................... 38
FIGURA 7.-CANAL DE MARÉ (ESQUEMÁTICO), ONDE x = HORIZONTAL, SITUADO NO NÍVEL
DE REPOUSO DA ÁGUA; N = POSIÇÃO DA SUPERFÍCIE LIVRE DA ÁGUA (POSITIVO
QUANDO ACIMA DO NÍVEL DE REPOUSO); H = H0 + N, COM H0 = PROFUNDIDADE LOCAL
( EM RELAÇÃO AO NÍVEL DE REPOUSO). FONTE (MELO, 1998)............................... 39
FIGURA 8.-FOTO ILUSTRATIVA DO MANGUEZAL DA ILHA DO LAMEIRÃO CANAL-NORTE.
FONTE: (SEAMA) SECRETARIA ESTADUAL DE MEIO AMBIENTE VITÓRIA ES. ......... 40
FIGURA 9.-ILUSTRAÇÃO DE 3 ESPÉCIES ENCONTRADAS NO ECOSSISTEMA MANGUEZAL DA
ILHA DO LAMEIRÃO JUNTO AO ESQUEMA DE DISTRIBUIÇÃO DA VEGETAÇÃO AO LONGO
DO CANAL DA PASSAGEM. FONTE: ESQUEMA MODIFICADO (OSÓRIO T. F. 2002,
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO PIRACICABA) ......................................................... 45
FIGURA 10.-ESQUEMA DE ENERGIA SUBSIDIARIA CONDICIONANDO A ASSINATURA
ENERGÉTICA DO ECOSSISTEMA MANGUEZAL ADAPTADO DE TWILLEY 1995 ( APUD
CUNHA 2001)................................................................................................. 46
FIGURA 11.- ECOSSISTEMAS PRODUTIVOS. FONTE: WWW:EPA.GOV.............................. 47
FIGURA 12.- SEÇÃO TRANSVERSAL DO MODELO DE UM SISTEMA DE UM CÓRREGO DE
MANGUEZAL INFLUENCIADO POR ÁGUA DOCE (R-TYPE MANGAL). FONTE: ADAPTADO
DE MAZDA ET AL 1999..................................................................................... 54
FIGURA 13.- A REGIÃO DE ESTUDO COMPREENDE TODO O CANAL DA PASSAGEM, (A) E (B)
CORRESPONDEM RESPECTIVAMENTE ÀS EXTREMIDADES SUL E NORTE DO CANAL DA
PASSAGEM: FONTE: FOTO ES- CAR UFES ........................................................ 61
FIGURA 14.- SISTEMA
ESTUARINO DO ENTORNO DA ILHA DE VITÓRIA E O DOMÍNIO DA
MALHA COMPUTACIONAL UTILIZADA NA REGIÃO DE ESTUDO (RETÂNGULO VERMELHO) E
NO PONTO EM VERMELHO (M3) A ESTAÇÃO MAREGRÁFICA DA VALE. ...................... 61
FIGURA 15.-PONTOS DE COLETA DE DADOS EXPERIMENTAIS E DISTRIBUIÇÃO DAS
ESTAÇÕES AO LONGO DO CANAL ......................................................................... 63
FIGURA 16.-PARTE DO DOMÍNIO DA MALHA UNIFORME DE 15X15 METROS DE LADOS NA
EXTREMIDADE NORTE DO CANAL, ÁGUA EM AZUL, MANGUE EM VERDE E TERRA EM
MARROM. ......................................................................................................... 71
FIGURA 17.- PARTE DO DOMÍNIO DA MALHA UNIFORME DE 15X15M UTILIZADA
EXTREMIDADE SUL, EM AZUL AS CÉLULAS DE ÁGUA, MANGUE EM VERDE E TERRA EM
MARROM. ......................................................................................................... 72
FIGURA 18.-CONDIÇÕES DE CONTORNO DA ESTAÇÃO VALE E ESTAÇÃO CAIEIRAS. ......... 75
FIGURA 19.-CONDIÇÕES DE CONTORNO, NORTE E SUL DO CANAL DA PASSAGEM.......... 76
FIGURA 20.- BATIMETRIA TÍPICA DA REGIÃO DE ESTUDO .............................................. 81
FIGURA 21.-PONTOS DE MONITORAMENTO DA EXTREMIDADE NORTE DO CANAL DA
PASSAGEM, COM MAIOR ÁREA DE VEGETAÇÃO DE MANGUEZAL. ............................. 82
FIGURA 22.-PONTOS DE MONITORAMENTO DA EXTREMIDADE SUL DO CANAL DA PASSAGEM
....................................................................................................................... 83
FIGURA 23.-RESULTADO NUMÉRICO DE VELOCIDADE NA ESTAÇÃO MARIA ORTIZ,
MAGNITUDE E DIREÇÃO DA VELOCIDADE, PARA AS TRÊS MALHAS USADAS NO TESTE DE
MALHA.............................................................................................................. 84
FIGURA 24.- DIFERENÇAS ENTRE AS MAGNITUDES DE VELOCIDADE DAS TRÊS MALHAS. .. 85
FIGURA 25.-DIFERENÇAS ENTRE AS DIREÇÕES DE VELOCIDADE DAS TRÊS MALHAS. ....... 86
FIGURA 26.-ELEVAÇÃO DA MARÉ AO LONGO DO CANAL DA PASSAGEM PARA AS TRÊS
MALHAS USADAS DURANTE O TESTE DE MALHA. LINHA CONTÍNUA – MALHA 1,
TRACEJADO E CIRCULO – MALHA 2, TRACEJADO E TRIANGULO – MALHA 3. ............ 87
FIGURA 27.-RESULTADOS DE VELOCIDADE E ELEVAÇÃO PARA A ESTAÇÃO MARIA ORTIZ.
RUGOSIDADE k s = 1m . ...................................................................................... 88
FIGURA 28.-RESULTADOS DE MAGNITUDE E DIREÇÃO DE VELOCIDADE NA ESTAÇÃO MARIA
k = 1m
ORTIZ. RUGOSIDADE s
. ........................................................................... 89
FIGURA 29.-ELEVAÇÃO DA MARÉ AO LONGO DO CANAL DA PASSAGEM, PARA UMA
RUGOSIDADE DE k s = 9m . ................................................................................. 90
FIGURA 30.-REGISTRO DE ELEVAÇÃO DA SUPERFÍCIE DA ÁGUA, NAS EXTREMIDADES NORTE
E SUL DO CANAL DA PASSAGEM, CORRESPONDENTE AO TERCEIRO CICLO DE MARÉ. 91
FIGURA 31.-CAMPO DE VELOCIDADES NA ÁREA DE ABRANGÊNCIA DA ZONA DE
CONVERGÊNCIA, CHAMADA TOMBO DE MARÉ, DURANTE A VAZANTE. TEMPO DE
SIMULAÇÃO DE 26 HORAS E RUGOSIDADE k S = 9m . ............................................. 92
FIGURA 32.-CAMPO DE VELOCIDADES NA ÁREA DE ABRANGÊNCIA DA ZONA DE
CONVERGÊNCIA, CHAMADA TOMBO DE MARÉ, DURANTE A ENCHENTE. TEMPO DE
SIMULAÇÃO DE 35 HORAS E RUGOSIDADE k s = 9m . ............................................. 93
FIGURA 33.-ELEVAÇÃO DA MARÉ AO LONGO DO CANAL DA PASSAGEM DURANTE A
VAZANTE DA MARÉ. RUGOSIDADE DE k s = 9m ..................................................... 94
FIGURA 34.-ELEVAÇÃO DA MARÉ AO LONGO DO CANAL DA PASSAGEM DURANTE A
ENCHENTE DA MARÉ. RUGOSIDADE k s = 9m . ...................................................... 94
FIGURA 35.-VELOCIDADE
NO ESTREITAMENTO DA PONTE DA PASSAGEM (MARÉ VAZANTE
EM UMA SIZÍGIA NO TEMPO DE SIMULAÇÃO DE 26 HORAS)...................................... 96
FIGURA 36.-VELOCIDADE NO ESTREITAMENTO DA PONTE DA PASSAGEM (ENCHENTE DE
MARÉ EM UMA SIZÍGIA NO TEMPO DE SIMULAÇÃO DE 35 HORAS)............................. 97
FIGURA 37.-A INFLUÊNCIA DA RUGOSIDADE NA ELEVAÇÃO DA SUPERFÍCIE DA ÁGUA AO
LONGO DA EXTENSÃO DO CANAL DURANTE A ENCHENTE DA MARÉ É VERIFICADA PELA
SEGUINTES LEGENDAS: EM LINHA CONTÍNUA COM RUGOSIDADE DE MANNING DE
n = 0,2 CORRESPONDENDO AO k s = 9,3 metros E EM LINHA TRACEJADA COM
MANNING DE n = 0,9 CORRESPONDENDO A UM k s = 11,5 metros
(TABELA 5). ...................................................................................................... 98
FIGURA 38.-INFLUÊNCIA DA RUGOSIDADE NA MAGNITUDE DA VELOCIDADE NA ESTAÇÃO
MARIA ORTIZ. ................................................................................................. 100
FIGURA 39.-INFLUÊNCIA DA RUGOSIDADE NO PADRÃO DE ESCOAMENTO DA REGIÃO DE
MANGUEZAL, PARA VALORES DE k s = 9 METROS SETAS VERMELHAS E k s = 11,5
METROS SETAS AZUIS. ..................................................................................... 101
FIGURA 40.-ELEVAÇÃO DA SUPERFÍCIE LIVRE AO LONGO DA EXTENSÃO DO CANAL COM
RUGOSIDADE DE MANNING IGUAL A 0,3 COMPARADA À RUGOSIDADE DE 0,027 EM UMA
ENCHENTE DE MARÉ. ...................................................................................... 121
VAZANTE DE MARÉ........................................................................................... 122
ENCHENTE DE MARÉ. ....................................................................................... 123
VAZANTE DE MARÉ........................................................................................... 124
ENCHENTE DE MARÉ. ....................................................................................... 125
VAZANTE DE MARÉ........................................................................................... 126
RUGOSIDADE DE MANNING NO VALOR DE 0,6 COMPARADA À RUGOSIDADE DE 0,027
EM UMA ENCHENTE DE MARÉ. ........................................................................... 127
RUGOSIDADE DE MANNING NO VALOR DE 0,6 COMPARADA À RUGOSIDADE DE 0,027
EM UMA VAZANTE DE MARÉ............................................................................... 128
FIGURA 48.-RUGOSIDADE COM VALOR DE MANNING DE 0,3 CORRESPONDENDO A UM k s
DE 10,2 METROS............................................................................................. 129
DE 10,2 METROS............................................................................................. 130
FIGURA 50.- RUGOSIDADE COM VALOR DE MANNING DE 0,4 CORRESPONDENDO A UM k s
DE 10,7 METROS............................................................................................. 131
RUGOSIDADE DE
FIGURA 51.-RRUGOSIDADE COM VALOR DE MANNING DE 0,4 CORRESPONDENDO A UM k s
DE 10,7 METROS............................................................................................. 132
DE 11 METROS................................................................................................ 133
FIGURA 53.- RUGOSIDADE COM VALORES DE MANNING DE 0,5 CORRESPONDENDO A UM
k s DE 11 METROS........................................................................................... 134
FIGURA 54.-RUGOSIDADE COM VALORES DE MANNING DE 0,6 CORRESPONDENDO A UM k s
DE 11,2 METROS............................................................................................. 135
DE 11,2 METROS............................................................................................. 136
FIGURA 56.-RUGOSIDADE COM VALORES DE MANNING DE 0,7 CORRESPONDENDO A UM
k s DE 11,3 METROS. ........................................................................................ 137
FIGURA 57.- RUGOSIDADE COM VALORES DE MANNING DE 0,7CORRESPONDENDO A UM k s
DE 11,2 METROS............................................................................................. 138
DE 11,3 METROS............................................................................................. 139
DE 11,3 METROS............................................................................................. 140
DE 11,5 METROS............................................................................................. 141
DE 11,5 METROS............................................................................................. 142
FIGURA 62.- FOTO EXTREMIDADE SUL DO CANAL, ENCHENTE DE MARÉ EM C E VAZANTE DE
MARÉ EM D..................................................................................................... 143
FIGURA 63.- FOTO EXTREMIDADE SUL DO CANAL DA PASSAGEM PRÓXIMO À ÁREA DE
PLANÍCIE DE MANGUEZAL (G), REPRESENTANDO UMA SITUAÇÃO DE ENCHENTE (F) E
VAZANTE DE MARÉ (E). .................................................................................... 144
FIGURA 64.-ESTREITAMENTO DA PONTE DA PASSAGEM DO LADO DA EXTREMIDADE SUL E
NORTE DO CANAL RESPECTIVAMENTE EM (H) E (I). ............................................. 145
FIGURA 65.-ALGUNS PONTOS DE LANÇAMENTOS DE ESGOTO IN NATURA ENTRE OS VÁRIOS
ENCONTRADOS AO LONGO DO CANAL DA PASSAGEM. NOS CÍRCULOS VERMELHOS
ENCONTRA-SE RESPECTIVAMENTE LANÇAMENTO DE ESGOTO DOMÉSTICO EM (J) E (L).
..................................................................................................................... 146
FIGURA 66.- FORMA FÍSICA DAS RAÍZES DE ÁRVORES DE MANGUE EM (M E O) E ESPÉCIES
NATIVA DA MATA ATLÂNTICA EM (N). EM (M) RAÍZES FULCREAS DE FIXAÇÃO AO SOLO
E EM (O) PNEUMATÓFOROS QUE EMERGEM ATÉ A SUPERFÍCIE DA ÁGUA PARA A TROCA
DE GASES COM A ATMOSFERA, (N) RAÍZES DO TIPO SAPOPEMA E TABULARES. FONTE:
VARESCHI 1980 (APUD LUTTGE 1997, P 35)................................................... 148
FIGURA 67.-ALTURA DE MARÉ NO GLOBO TERRESTRE. FONTE: WWW.EPA.GOV ............ 149
FIGURA 68.-UMA VISÃO GERAL SOBRE REGIME DE MARÉS NO GLOBO TERRESTRE. FONTE
WWW .EPA.GOV ............................................................................................... 150
FIGURA 69.- GRANULOMETRIA DAS AREIAS DO FUNDO DO CANAL DA PASSAGEM
MODIFICADO (FONTE: PAIVA & ALBINO 2000) . .................................................. 151
FIGURA 70.-LOCAL ONDE É LANÇADO O EFLUENTE NO CANAL DA PASSAGEM DA ESTAÇÃO
MUNICIPAL DE TRATAMENTO DE VITÓRIA, MARCADO EM (P). FONTE: LABORATÓRIO
DE ZOOPLACTON UFES (PROFESSOR LUIS FERNANDO LOUREIRO FERNANDES) ... 152
Lista de Tabelas
TABELA 1: FATORES QUE AFETAM A RESISTÊNCIA AO ESCOAMENTO (CHOW, 1959;
FRENCH,1986) .............................................................................................. 22
TABELA 2: RESUMOS DE MODELOS COMPUTACIONAIS, FONTE: (MARTIN 1999). ............. 51
TABELA 3. COORDENADAS DAS ESTAÇÕES MAREGRÁFICAS LONGO DA EXTENSÃO DO
CANAL DA PASSAGEM: ....................................................................................... 64
TABELA 4: VALORES RECOMENDADOS PARA A RUGOSIDADE EQUIVALENTE DE FUNDO Ε
(FONTE:ABBOT E BASCO (1989). ................................................................... 65
TABELA 5: COEFICIENTE DE ARRASTO ENCONTRADO NA LITERATURA ............................ 78
TABELA 6: RAIZ QUADRÁTICA MÉDIA DAS DIFERENÇAS DAS VELOCIDADES ENTRE AS
MALHAS ............................................................................................................ 86
TABELA 7: A TABELA INDICA AS VARIAÇÕES DOS VALORES DE COEFICIENTES MANNING
USADOS EM ESTUDOS RELACIONADOS A REGIÕES ESTUARINAS ( WOLANSKI 1980 ,
N=0,2 A 0,6), COM ESTES VALORES CONVERTEU-SE OS VALORES DE N PARA OS
VALORES DE k s USANDO AS EQUAÇÕES (22, 23 E 24): ....................................... 103
Lista de Notações
Notação
A
[ m2 ]
Área da seção transversal
af
[-]
Constante da equação de Colebrook
bf
[-]
Constante da equação de Colebrook
C
[ m 1 2 s −1 ]
Coeficiente de Chézy's
f
[-]
Fator de fricção de Darcy-Weisbach
f'
[ radianos s ]
O coeficiente de Coriolis
τ xw ,τ yw
As componentes da tensão superficial provocada
pelo vento nas direções x, y respectivamente.
Fr
[-]
Número de Froude
Aceleração devido a gravidade : g = 9.81 m s 2
g
[ m s2 ]
h
[m ]
Profundidade do escoamento
k
[m ]
Altura da rugosidade
ks
[m m]
k s eq [ m m ]
L
n
[m ]
s m1 3
Rugosidade de grãos de areia de Nikuradse
Rugosidade equivalente dos grãos de areia
Comprimento do Canal
Coeficiente de Manning's
η
[m ]
Elevação da superfície livre da água
Número de Reynolds
Re
[-]
Rh
[m ]
S
[m m]
Inclinação da superfície do escoamento
Sf
[m m]
Inclinação da linha de energia
U
[m s]
n
[ s m1 3 ]
K
[-]
Raio hidráulico
Velocidade média do escoamento
Coeficiente de Manning's
Constante de Von Kármán K = 0.4
SUMÁRIO
1.
INTRODUÇÃO ............................................................................................... 10
2.
OBJETIVOS ................................................................................................... 16
2.1
2.2
3.
OBJETIVO GERAL ....................................................................................... 16
OBJETIVOS ESPECÍFICOS ............................................................................ 16
REVISÃO DE FUNDAMENTOS BÁSICOS ................................................... 18
3.1
TIPOS DE ESCOAMENTOS ............................................................................ 18
3.1.1 Mudança da profundidade referindo-se ao tempo e ao espaço........... 18
3.1.2 Escoamentos turbulentos .................................................................... 19
3.1.3 Efeitos da gravidade ............................................................................ 21
3.2
RUGOSIDADE ............................................................................................. 22
3.2.1 Resistência ao escoamento em planície alagada com vegetação
natural ............................................................................................................ 23
3.2.2 Método para calcular o coeficiente de rugosidade............................... 26
3.2.2.1 Altura da rugosidade em canais abertos ...................................... 31
3.3
ESCOAMENTOS EM CANAIS ......................................................................... 33
3.3.1 Escoamentos dentro de canais com fundo de cascalho...................... 33
3.3.2 Escoamentos em canais com vegetação no fundo.............................. 35
3.3.3 Escoamentos em rios versus escoamentos em canais sujeitos à ação
de maré .......................................................................................................... 36
3.3.3.1 Escoamentos em rios ................................................................... 36
3.3.3.2 Escoamentos em canais sujeitos à ação de maré........................ 37
3.4
REVISÃO DE ESTUDOS REALIZADOS NO CANAL DA PASSAGEM E SOBRE O
ECOSSISTEMA MANGUEZAL ................................................................................... 39
3.4.1 Ecossistema Manguezal ...................................................................... 43
3.4.2 Impactos antrópicos em Manguezais .................................................. 48
3.5
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA DE AUTORES QUE UTILIZARAM MODELOS
COMPUTACIONAIS PARA PLANÍCIE ALAGADA, COM OU SEM VEGETAÇÃO, EM CANAIS
SUJEITOS À AÇÃO DE MARÉ. ................................................................................... 50
3.5.1 Revisão de estudos anteriores ............................................................ 50
4.
MATERIAL E MÉTODOS .............................................................................. 60
4.1
REGIÃO DE ESTUDO ................................................................................... 60
4.1.1 Introdução............................................................................................ 60
4.2
LEVANTAMENTO DE DADOS DE CAMPO ......................................................... 62
4.2.1 Dados experimentais ........................................................................... 62
4.2.2 Dados de elevação do nível do mar .................................................... 64
4.2.3 Características do Canal da Passagem............................................... 65
4.3
O MODELO NUMÉRICO USADO NO ESTUDO ................................................... 66
4.3.1 Introdução............................................................................................ 66
4.3.2 Modelo numérico DIVAST ................................................................... 66
4.3.3 Método de solução das equações matemáticas .................................. 69
4.3.4 Teste de malhas .................................................................................. 70
4.3.4.1 Representação do domínio físico ................................................. 70
4.4
IMPLEMENTAÇÃO DO MODELO HIDRODINÂMICO ............................................. 73
4.4.1 Condições iniciais ................................................................................ 76
4.4.2 Calibração e validação do modelo hidrodinâmico................................ 77
5.
RESULTADOS............................................................................................... 80
5.1
BATIMETRIA DA REGIÃO DE ESTUDO ............................................................. 80
5.2
RESULTADOS DO TESTE DE MALHA .............................................................. 84
5.3
CARACTERÍSTICAS DO PADRÃO DE ESCOAMENTO.......................................... 87
5.3.1 Tombo da maré ................................................................................... 90
5.3.2 Velocidades no estreitamento do Canal da Passagem ....................... 95
5.4
INFLUÊNCIA DA VEGETAÇÃO DE MANGUEZAL NO PADRÃO DE ESCOAMENTO...... 99
5.4.1 Influência da rugosidade na velocidade............................................... 99
6.
CONCLUSÕES ............................................................................................ 105
6.1
6.2
6.3
7.
TOMBO DA MARÉ ..................................................................................... 105
SIMULAÇÃO NUMÉRICA ............................................................................. 106
RECOMENDAÇÕES ................................................................................... 107
REFERÊNCIAS............................................................................................ 110
APÊNDICES........................................................................................................ 120
ANEXOS ............................................................................................................. 147
RESUMO
A região de estudo compreende toda a extensão do Canal da Passagem incluída
a área alagada coberta por vegetação de manguezal. Este canal situa-se na
porção nordeste da ilha de Vitória, município de Vitória (ES) Brazil, nas
coordenadas (200 18’ 00” , 400 17’ 00” S) e (200 15’ 00”, 400 19’ 12“ W). O objetivo
é avaliar a influência da vegetação de manguezal na hidrodinâmica do Canal da
Passagem, usando o modelo computacional DIVAST. Três malhas foram
implantadas na região de estudo para verificar a consistência dos resultados
numéricos. A escolha da malha usada levou em consideração além da
consistência dos resultados o tempo de processamento. Três estações foram
colocadas na região de estudo. Duas estações para registrar as elevações da
maré e uma para registrar a velocidade. Os registros das elevações de maré
foram usados para fornecer as condições de contorno nas extremidades do Canal
da Passagem e o registro de velocidade foi usado para aferir os resultados
numéricos de velocidade. A influência da vegetação de manguezal na
hidrodinâmica é introduzida no modelo via coeficiente de rugosidade de Manning.
Os resultados numéricos mostraram que a vegetação de manguezal tem um
importante papel na hidrodinâmica do Canal da Passagem, ocasionando um
aumento na magnitude de velocidade. Os resultados numéricos mostram a
presença de uma região, com velocidades quase nulas conhecidas como “tombo
da maré”, que se desloca para o norte do canal durante a maré vazante e para o
sul durante a maré de enchente.
ABSTRACT
The study region understands all the extension of the Passage Channel (Canal da
Passagem), flood enclosed area covered for mangrove vegetation. This channel is
in the northeast portion of the island of Vitória, city of Vitória (Espirito Santo State,
Brazil) in coordinates (200 18’ 00” , 400 17’ 00” S) e (200 15’ 00”, 400 19’ 12“ W).
The influence of the vegetation of mangrove in the hydrodynamics of the Canal of
the Ticket is studied, using computational model DIVAST. Three meshes had
been implanted in the study region to verify the consistency of the numerical
results. The choice of the used mesh led in consideration beyond the consistency
of the results the processing time. Three stations had been placed in the study
region. Two stations to register the rises of tide and one to register the speed.
The registers of the tide rises had been used to supply the conditions of contour in
the extremities of the Canal of the Ticket and the speed register was used to
survey the numerical results of speed. The influence of the vegetation of mangrove
in the hydrodynamics is introduced in the model saw coefficient of roughness of
Manning. The numerical results had shown that the mangrove vegetation has an
important role in the hydrodynamics of the channel of the Ticket, causing an
increase in the magnitude of speed. The numerical results show the presence of a
region, with known almost null speeds as “tombo da maré”, that it is displaced
northward from the canal during the tide ebb and for the south during the flood tide.
Capítulo 1
INTRODUÇÃO
_____________________________________________________________________________10
1. Introdução
No contexto mundial as questões ambientais são predominantemente expressões
das relações sociais, econômicas e políticas da sociedade (BRYON, 1994). No
Brasil estas questões ambientais não são diferentes, o adensamento populacional
aliado à ocupação desordenada faz com que a balneabilidade torne-se uma tarefa
desafiadora para o poder público nas grandes cidades.
A crescente poluição hídrica decorre do desenvolvimento acelerado e incontrolado
das atividades econômicas e do crescimento demográfico, os quais não foram
acompanhados pela construção equilibrada de infra-estruturas de saneamento
básico. Os efeitos nocivos de poluição hídrica acabam incidindo diretamente sobre
o homem, causando perturbações na saúde e alterações no comportamento das
populações, na economia, indústria, turismo e no ambiente, pela degradação da
paisagem e pela perturbação ou alteração dos ecossistemas. Por outro lado, o
problema de adensamento populacional reflete diretamente na qualidade da água
dos mananciais que abastecem as cidades, baías e estuários.
A poluição das águas de baías e estuários tem comprometimento direto na
qualidade da água destes ambientes. Principalmente em se tratando de estuários
com floresta de manguezal (Figura 1). São vários os estudos da literatura que
relatam a importância da hidrodinâmica em estuários com floresta de mangue. Em
um destes estudos Wolanski et al (1980) simularam com sucesso a hidrodinâmica
do sistema de manguezal em Missionary Bay, ao norte de Hinchinbrook, na
porção norte da Austrália. Neste estudo verificou-se que a assimetria entre a
corrente de enchente e vazante contribui para manter a profundidade, sustentando
a drenagem do canal, e foi atribuída uma fricção induzida pela vegetação dentro
dos manguezais. Furukawa et al (1997) estudaram as correntes de maré, o
sedimento coesivo e o transporte orgânico do carbono dentro de uma planície
alagada de vegetação de manguezais na Austrália. Mazda (1991) relata que a
rápida degradação ou destruição de área de manguezais por toda à parte do
_____________________________________________________________________________11
mundo, particularmente em paises tropicais, tem chamado a atenção para sua
conservação
baseada
no
conhecimento
científico
dos
ecossistemas.
A
investigação deve ser feita não somente do ponto de vista físico, mas também do
ponto de vista interdisciplinar, reconhecendo a relação entre a física, a química e
os processos biológicos, especialmente dentro de uma ordem para prever e tratar
as mudanças dentro do ecossistema manguezal no futuro.
Machado (1994) relatou que as regiões costeiras vêm tendo um avançado
processo
de
desenvolvimento
econômico,
juntamente
com
a
ocupação
desgovernada de seus ecossistemas e o uso incorreto do solo. Justamente por
englobarem ambientes de grande fragilidade, as zonas costeiras acabam por,
muitas vezes, sendo parcial ou permanentemente degradadas em função do
desenvolvimento econômico e do adensamento populacional, o que vem
ocorrendo nas regiões costeiras do Brasil.
Diante destes problemas, cada vez mais vem se firmando na consciência do ser
humano que os recursos físicos e biológicos do planeta são limitados e que a
capacidade dos ecossistemas se recuperar de agressões não é infinita. Daí a
grande preocupação com as questões ambientais e a razão de trabalhos na área
ambiental.
Entre essas e outras motivações, pode-se afirmar que o Canal da Passagem
(Figura 1), região de estudo desta investigação, engloba uma região com um
estuário com planície de mangue conectada a duas baías: Baía de Vitória e Baía
do Espírito Santo; estas baías adjacentes ao Canal da Passagem possuem
valores econômicos, sociais, ambientais, turísticos e de lazer para a população de
seu entorno, a (Figura 1) ilustra a região de estudo:
Segundo Castro (2001), ao longo da extensão do Canal da Passagem ocorre o
despejo de esgotos domésticos in natura ou com tratamento inadequado, que
durante a maré vazante alcançam a Baía do Espírito Santo, deteriorando a
_____________________________________________________________________________12
qualidade da água do canal e afetando a balneabilidade das praias adjacentes à
extremidade sul do Canal da Passagem.
Cariacica
Serra
Baía d
e
Vitóri
a
Rio Santa
Maria da
Vitória
Ilha do
Lam eirão
C
Pa ana
ss l d
ag a
em
Baía do
Espírito
Santo
Ilha de Vitória
Vila velha
Figura 1.- Região de estudo em destaque no retângulo vermelho. Fonte: (SEAMA) Secretaria Estadual
de meio Ambiente ES Vitória
Portanto, neste trabalho o enfoque será principalmente na Hidrodinâmica do Canal
da Passagem. O Canal da Passagem, antes chamado de “Rio da Passagem”, é
uma região que está presente no sistema estuarino da ilha de Vitória e não escapa
destes problemas ambientais. Em suas águas são lançados efluentes domésticos
(APÊNDICE Z) e industriais sem tratamento, comprometendo a qualidade de suas
águas. Para o gerenciamento destes problemas é necessário fazer o uso de um
modelo computacional descrito adiante neste trabalho.
_____________________________________________________________________________13
O uso de modelos computacionais vem sendo atualmente uma prática freqüente
para caracterizar a circulação em regiões costeiras, sendo usado também como
ferramenta de base para o planejamento e gestão de sistemas costeiros. Os
modelos bidimensionais, integrados na vertical, são os mais divulgados e podem
atualmente processados em microcomputadores.
A hidrodinâmica é o resultado de diversas interações: a maré, descarga de rios
afluentes, a agitação marítima, o vento, a planície de maré e a fricção da
vegetação de manguezal. Com as devidas técnicas de modelagem matemática é
permitido conjugar estes efeitos para se obter as grandezas hidrodinâmicas
fundamentais ao longo do tempo.
Para o estudo destes efeitos, foi usado o modelo numérico bidimensional 2DH
DIVAST - Depth Integrated Velocities And Solute Transport (Falconer, 1976)
(modelos bidimensionais são utilizados em regiões onde é possível representar o
valor da variável calculada por um valor médio, integrado em uma das direções).
Em geral os modelos numéricos 2DH representam bem a dinâmica de maré nas
regiões costeiras, em que o escoamento é razoavelmente bem misturado.
Neste cenário, trabalhos têm sido desenvolvidos nas regiões do estuário do Rio
Santa Maria e Canal da Passagem com o objetivo de investigar os processos
físicos que regem o escoamento e os impactos de origem antrópica nesta região.
O presente estudo se insere nesta linha de investigação, visando descrever a
hidrodinâmica do Canal da Passagem e sua influência na qualidade da água desta
região.
Na realização deste trabalho, foram definidos os objetivos do trabalho, que são
apresentados no capítulo 2. No capítulo 3 são apresentados os conceitos
fundamentais e é realizada uma revisão bibliográfica. No Capítulo 4 encontra-se
descrita a metodologia utilizada neste estudo. No Capítulo 5 encontram-se os
_____________________________________________________________________________14
resultados e discussões. Finalmente, no Capítulo 6 são colocadas conclusões e
recomendações para estudos futuros.
Este trabalho insere-se na linha de pesquisa do Programa de Pós-Graduação em
Engenharia Ambiental da Universidade Federal do Espírito Santo (PPGEA/UFES)
intitulada “Recursos Hídricos Interiores e Costeiro” da área de concentração de
Recursos Hídricos.
_____________________________________________________________________________15
Capítulo 2
OBJETIVOS
_____________________________________________________________________________16
2. Objetivos
O presente trabalho insere-se na linha de pesquisa “Recursos Hídricos Interiores e
Costeiro” da área de concentração de Recursos Hídricos do Programa de PósGraduação em Engenharia Ambiental da Universidade Federal do Espírito Santo
(PPGEA/UFES). A presente dissertação tem os seguintes objetivos.
2.1
Objetivo geral
Contribuir para o conhecimento do movimento das águas e do transporte de
poluentes em regiões estuarinas, através do uso de modelagem matemática e
numérica.
2.2
Objetivos específicos
Avaliar a hidrodinâmica do canal da Passagem (Vitória –ES) em toda
sua extensão.
Determinar com melhor precisão a localização do Tombo da Maré.
Avaliar a influência do Tombo da Maré na hidrodinâmica do canal.
Avaliar a influência da vegetação de manguezal e rugosidade no
padrão de escoamento.
_____________________________________________________________________________17
Capítulo 3
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
_____________________________________________________________________________18
3.
Revisão de fundamentos básicos
Este capítulo inclui uma visão breve sobre os perfis da velocidade em canais
abertos e fundamentos básicos para o estudo, a descrição da resistência do
escoamento é dada também neste capítulo, além de uma visão geral sobre as
teorias comuns a canais com cascalho no fundo e escoamentos em canais com
planícies de maré e rios.
Seguidamente, serão apresentados estudos realizados na região do Canal da
Passagem e em ecossistema manguezal. Também será apresentada uma visão
dos
modelos
numéricos
utilizados
em
regiões
costeiras,
englobando
principalmente regiões estuarinas com floresta de mangue.
3.1
Tipos de escoamentos
Em geral são encontradas três maneiras comuns de classificar os tipos de
escoamentos em canais:
•
Considerando a mudança na profundidade no tempo e no espaço.
•
Considerando os efeitos da turbulência.
•
Considerando os efeitos da aceleração da gravidade.
As classificações são específicas e podem ser usadas separadamente. A escolha
da classificação que deve ser usada depende do contexto. Essas classificações
citadas são descritas com mais detalhes nos próximos itens.
3.1.1
Mudança da profundidade referindo-se ao tempo e ao espaço
No caso em que o tempo for o critério, um escoamento pode ser classificado como
sendo estacionário ou permanente; isto implica que a profundidade do
escoamento não muda com o tempo ∂h ∂t = 0 (FRENCH, 1986). No caso do
_____________________________________________________________________________19
escoamento ser não estacionário ou transiente, implica que a profundidade do
escoamento muda com o tempo ∂h ∂t ≠ 0 .
Quando o espaço for usado como o critério de classificação, então o escoamento
pode ser classificado como uniforme, se a sua profundidade não muda com a
distancia ∂h ∂x = 0 , ou não uniforme, se a profundidade do escoamento muda
com a distância ∂h ∂x ≠ 0 (FRENCH, 1986). Abaixo a Figura 2 descreve a seção
longitudinal de um canal qualquer em condições naturais:
Figura 2.- Considerando uma seção longitudinal de um canal qualquer. Sendo que a área projetada do
2
h é a distância da superfície até o nível médio do fundo
(profundidade do escoamento) em [ m ], Rh é o raio hidráulico em [ m ] e P é o perímetro molhado
do canal em [ m ].Esquema modificado de Smart, 2000 (apud KUMU 2002).
escoamento ( A) é dada em [ m
],
3.1.2 Escoamentos turbulentos
A turbulência pode ser causada por taxas de escoamento excessivas (chuva
prolongada), por curvas ou por superfícies rugosas do escoamento no canal
(KUMMU, 2002). CHOW (1959) define que o escoamento é turbulento se as
forças viscosas forem fracas em relação às forças inerciais. O efeito da inércia
relativo à viscosidade pode ser representado pelo número de Reynolds; CHOW
(1959) definiu como,
Re =
URh
ν
(1)
_____________________________________________________________________________20
sendo U a velocidade media do escoamento [ m / s ]; Rh é o raio hidráulico [m] ; e ν
é a viscosidade cinemática da água em [ m 2 s ]. Segundo Kummu, (2002) o
número de Reynolds do escoamento é usado para classificar os seguintes
escoamentos:
•
escoamento laminar Re ≤ 500;
•
escoamento de transição 500 ≤ Re ≤ 12500;
•
escoamento turbulento Re ≥ 12500.
No escoamento laminar, as partículas da água parecem mover-se em trajetos
retilíneo definitivo, e diluem infinitesimalmente camadas de líquido que parecem
deslizar sobre camadas adjacentes. No caso em que o escoamento é turbulento,
as partículas da água movem-se em trajetos irregulares, que não são retilíneos e
nem fixos, ainda que o agregado represente o movimento para diante do canal
inteiro (KUMMU, 2002).
Entre os estados laminar e turbulento há um estado de transição (CHOW, 1959).
Os escoamentos em canais naturais possuem como característica que
praticamente todos são turbulentos, devido à resistência com a vegetação
submergida e não submergida no canal quando for o caso, paredes laterais e
rugosidade do fundo do canal.
Nos
escoamentos
de
canais
abertos
a
velocidade
não
é
distribuída
uniformemente. Nesta investigação, será estudado o escoamento em um canal
aberto influenciado por maré em ambas as suas extremidades. O canal está
sujeito à rugosidade, devido a vários fatores, que altera o perfil de velocidade. Em
alguns canais, nos casos em que o fundo do canal é de cascalho, o escoamento é
turbulento e o perfil vertical da velocidade é suposto como um perfil logarítmico
(CHOW, 1959).
_____________________________________________________________________________21
Quando a velocidade é considerada uniforme em uma seção transversal, os
cálculos podem ser simplificados e comparados à circunstância em que a
distribuição da velocidade é logarítmica (no caso em que há vegetação ou
cascalho no fundo do canal); com isso os resultados de velocidades uniformes
podem ser aceitáveis para algumas situações (KUMMU, 2002).
3.1.3
Efeitos da gravidade
De acordo com o efeito da gravidade no estado do escoamento é representado
por uma relação entre forças inerciais, e forças da gravidade. Esta relação é
representada pelo número de Froude, que CHOW (1959) definiu como,
Fr =
U
gRh
(2)
Sendo g a aceleração da gravidade em [ m / s 2 ], Rh raio hidráulico em m e U a
velocidade média do escoamento em [ m / s ]. O numero de Froude é usado para
classificar os escoamentos, (FRENCH 1986), (GRAF1988):
•
escoamento subcrítico Fr < 1;
•
Escoamento supercrítico torrencial Fr >1;
•
e escoamento crítico Fr = 1.
Quando no estado supercrítico do escoamento, as forças inerciais se tornam
dominantes; o escoamento passa a ter uma velocidade elevada e é descrito
geralmente como rápido, disparado e torrencial (CHOW, 1959).
_____________________________________________________________________________22
3.2
Rugosidade
O conceito exato para determinar o método para esta resistência ao escoamento
em um canal aberto é muito complicado (JAVELA, 1998). Os fatores que tem
grande influência na rugosidade estão mostrados na Tabela 1 abaixo:
Tabela 1: fatores que afetam a resistência ao escoamento (CHOW, 1959; FRENCH,1986)
_________________________________________________________________
Rugosidade da superfície: É representado pelo comprimento e forma
dos grãos e pela formação do material do perímetro molhado e produz um
efeito de retardo no escoamento.
Vegetação: a vegetação reduz significativamente a capacidade de
escoamento do canal e retarda o escoamento. Este efeito depende muito
da altura, densidade, distribuição, rigidez e tipo de vegetação. Efeito de
sazonalidade do crescimento de plantas aquáticas, gramas, ervas
daninhas, salgueiro e arvores dentro de canais ou sobre bancos.
Obstruções: queda de árvores, pedra e seixo, pontes e bloqueio por
troncos tem um significativo impacto na resistência ao escoamento.
Fonte e vazão: afetam a resistência ao escoamento de tal maneira que
quando aumentam o coeficiente de rugosidade diminui. Entretanto, nos
casos em que a altura da vazão alcança os bancos dos rios ou a planície
de alagamento. O efeito pode ser o oposto do que dentro de uma situação
normal.
Sinuosidade: a natureza da sinuosidade pode ser notificada na relação
do comprimento do talveque. A resistência ao escoamento pode ser
aumentada quando a sinuosidade do canal aumenta.
Gelo: é um importante fator que afeta a resistência ao escoamento
especialmente nos paises nórdicos. Camadas de gelo e placas de gelo em
rios podem aumentar a resistência.
________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________23
Um dos fatores mais notáveis para a determinação da resistência ao escoamento
são as variedades da formas, variedade da rugosidade e vegetação. Os fatores
individuais e seus efeitos são possíveis de representar. O problema está em
combinar os fatores para um único coeficiente (JAVELA, 1998). Na Tabela 1 são
relacionadas às várias resistências ao escoamento encontradas em diversas
situações.
3.2.1 Resistência ao escoamento em planície alagada com vegetação
natural
Do ponto de vista hidráulico uma vegetação pode aumentar a resistência ao
escoamento e conseqüentemente aumentar o risco de alagamento. A rugosidade
adicional do canal é devida ao crescimento da vegetação e à redução da
capacidade dentro do canal, devido à quantidade das plantas (KUMMU, 2002).
A possibilidade de turbulência aumenta em torno das árvores nas inundações, há
o risco de uma árvore cair repentinamente e causar um bloqueio ao escoamento e
impacto no risco de alagamento (FISHER, 1996). Em canais abertos, a vegetação
causa uma perda de energia através da turbulência em torno das hastes da
vegetação e cria uma força de arrasto na água movente.
De acordo com Fisher (1996) a rugosidade do canal causada pelo crescimento da
vegetação é ligada à densidade, ao tipo, à rigidez, à altura, à área (projetada de
encontro ao sentido do escoamento) e à distribuição da vegetação. Para
pequenos canais o crescimento da vegetação pode ter um impacto marcado nos
níveis d’ água.
Do ponto de vista biológico, os rio são habitats importantes para as plantas que
estão no canal e na planície alagada. As plantas são uma fonte vital de abrigo e
de alimento para peixes, invertebrados e alguns pássaros. A vegetação nas
planícies alagadas e nos corredores dos rios é uma parte importante do
ecossistema (MARSH, 1991).
_____________________________________________________________________________24
Chow (1959) descreve a altura da rugosidade para fundo de rios naturais podendo
variar de 0,03 a 0,91 m. Os fatores que afetam a resistência ao escoamento foram
descritos na Tabela 1.
Geralmente, a vegetação nas planícies de inundação é maior do que aquela
encontrada nos canais principais. Esta vegetação tem uma maior influência sobre
a resistência e profundidade do escoamento durante as enchentes em planícies
de inundação. Petryk e Bosmajian (1975) propuseram um método para calcular a
resistência do escoamento, baseado nas forças de arrasto devido às maiores
plantas e às árvores que constituem a maior resistência nas planícies da
inundação. Esses autores consideraram uma planície alagada na presença de
culturas agrícolas ou arvores. As equações e os métodos foram desenvolvidos
para resistência devido às árvores e obstruções (PETRYK & BOSMAJAN 1975).
Abaixo temos a equação em que os autores consideraram uma rugosidade total
para o coeficiente de Manning’s:
 C d ⋅ ∑ Ai
n = nb 1 + 
 2g ⋅ A ⋅ L

  1.4861   A  4 3
⋅
⋅
  n   P 
b



(16)
onde n é o coeficiente de rugosidade total, nb é a rugosidade do contorno, C d é o
coeficiente de arrasto para a vegetação na direção do escoamento, A = área da
seção transversal do canal ( m 2 ),
∑A
i
= número de árvores multiplicado pelos
diâmetros das árvores em ( m ), g aceleração devida a gravidade (= 9.806 m/s 2 ),
P é o perímetro molhado do canal em ( m ). A expressão ∑ Ai AL é igual a
expressão h ∑ ni di hw em unidade m 2 m 3 , onde ∑ ni d i = o somatório do
número de árvores multiplicado pelos diâmetros das árvores em ( m ), h = altura de
água na planície alagada em metros, w largura da área amostral em ( m ),
L = comprimento da área amostral em ( m ). A expressão ∑ Ai AL representa o
bloqueio da vegetação ou a densidade da vegetação em planície de inundação.
_____________________________________________________________________________25
Há diversas limitações ao uso da equação de Petryk e de Bosmajan (1975). Uma
das limitações é que a velocidade do canal deve ser pequena o bastante para
impedir que haja dobra ou distorção da vegetação, grandes variações na
velocidade não podem ocorrer através dos canais. Para usar este método a
vegetação deve ser considerada fixa, as deformações das plantas com o
escoamento impossibilitam o uso de uma densidade constante no bloqueio ao
escoamento, dificultando predizer a resistência das plantas. Gramas e a arbustiva
vegetação rasteira são então excluídas para efeitos de cálculos.
A vegetação deve também ser distribuída uniformemente no sentido lateral. De
acordo com Petryk e Bosmajian (1975), a profundidade do escoamento deve ser
menor ou igual à altura máxima da vegetação. Durante a enchente, as velocidades
sobre a inundação podem ser relativamente elevadas, podendo ocorrer
freqüentemente grande distorção da vegetação. Os tipos e as densidades da
vegetação podem também variar extensamente através de uma planície alagada
onde a água freqüentemente submerge a vegetação. Entretanto, quando os
troncos das árvores dominam as seções de um planície alagada, este método
pode ser usado para predizer o coeficiente de resistência total, n .
Em seus estudos, Petryk e Bosmajian (1975) investigaram o escoamento em
planície com vegetação no qual houve influência do atrito provocado pelo arrasto
com as seguintes vegetações: milho, sorgo, árvores de ciprestes, carvalho e
eucaliptos. A partir de 1975 outros autores implementaram esta idéia para a
vegetação de mangue, que serviu de base para a maioria dos modelos numéricos
contemporâneos relacionados a escoamento em planície alagada com vegetação.
No presente trabalho foi desenvolvido um procedimento quantitativo para predizer
os valores do coeficiente de Manning’s n como função da profundidade do
escoamento e características da vegetação. Nos resultados do trabalho foram
quantificados o valor de rugosidade n para a densidade de vegetação e uma
_____________________________________________________________________________26
equação sem a vegetação (somente com o valor de rugosidade Manning nb do
fundo do escoamento).
3.2.2 Método para calcular o coeficiente de rugosidade
O coeficiente de rugosidade representa o efeito de rugosidade do canal na perda
de energia do escoamento da água. Esta seção introduz alguns métodos de
cálculos comuns do coeficiente de rugosidade.
CHEZY, 1768
Napolean Bonaparte, durante o seu reino, incentivou a pesquisa e o
desenvolvimento necessário para a construção de sistemas de distribuição de
água e drenagem da cidade de Paris na França (MCPHERSON, 2000). Um dos
cientistas pioneiros a iniciar este desenvolvimento foi Antonie Chézy. O autor
realizou uma série de experiências no rio Sena e em canais abertos,
aproximadamente no ano de 1769. Nos estudos o autor encontrou que a
velocidade média da água em dutos abertos era proporcional à raiz quadrada do
gradiente do canal (inclinação da superfície livre da água), da área da seção
transversal do escoamento (raio hidráulico) e o inverso do perímetro molhado.
De acordo com Chow (1959), Antonie Chézy provavelmente desenvolveu a
primeira fórmula de escoamento uniforme, com a fórmula de Chézy que é definida
como:
U = C Rh S f
(3)
onde U é a velocidade média em [ m s ], C é o fator de resistência ao
escoamento, chamado de coeficiente Chézy, S f é a inclinação da energia da linha
_____________________________________________________________________________27
de grade [m m] e Rh o raio hidráulico. Para determinar o fator de Chézy várias
fórmulas foram desenvolvidas (CHOW, 1959 pp.94-98).
Através do esquema abaixo que representa um escoamento uniforme em um
canal, Chézy desenvolveu a equação (3) (CHOW, 1959):
Figura 3.- representação esquemática da fórmula de Chézy para um escoamento uniforme em um canal
aberto. Fonte: CHOW, 1959.
O desenvolvimento da fórmula de Chezy (equação, 3) pode ser derivado
matematicamente tomando duas suposições. A primeira indica que a resistência
ao escoamento por unidade de área da velocidade é proporcional ao quadrado da
velocidade;ou seja, a força de resistência é igual a KV 2 onde K é uma constante
de proporcionalidade. A superfície em contato com o escoamento da corrente do
fundo é igual ao produto do perímetro molhado e o comprimento do canal
PL (Figura 3). A força total de resistência ao escoamento é representada então
por KU 2 PL (CHOW, 1959).
A segunda suposição é baseada no principio básico do escoamento uniforme. No
escoamento uniforme a componente da força da gravidade que causa o
escoamento deve ser igual à força total da resistência (CHOW, 1959). A eficaz
_____________________________________________________________________________28
componente da força de gravidade (Figura 2) é paralela ao fundo do canal e igual
a wAL sin θ = wALS , onde w é o peso unitário da água, A é a área da água em
contato com o solo (perímetro molhado), θ é o ângulo de inclinação e S é a
inclinação do canal. Em seguida wALS = KV 2 PL , w é o peso unitário da água, A
é a área da seção transversal do escoamento considerado, K é uma constante de
proporcionalidade, L é o comprimento do canal, S inclinação da superfície da
água, V velocidade do escoamento, P perímetro molhado, sendo A P = R h e
w K pode ser representado pelo fator C então a previsão para a equação é
reduzida para a fórmula de Chezy (CHOW, 1959), que pode ser representada
como:
U=
(w K )( A P )S
= C RS
(4 )
Chow (1959) apresentou o uso da fórmula de Chezy (equação 3), mostrando que
em um escoamento hidraulicamente suave onde a altura da rugosidade deve ser
menor do que a rugosidade crítica, é expressado pela seguinte fórmula:
kc =
5C ν
gU
(5)
Quando a altura da rugosidade for aumentada até o valor crítico definido na
equação (5), o elemento de rugosidade terá uma magnitude suficiente para causar
um distúrbio dentro do canal (CHOW, 1959).
DARCY, 1854; WEISBACH, 1845
De acordo com Chow, (1959) a velocidade média pode ser calculada usando a
fórmula Darcy-Weisbach
U=
8 gRh S f
f
(6)
_____________________________________________________________________________29
onde f é o fator de fricção, Rh raio hidráulico e S f é a inclinação da linha de
energia [m m] .
A relação entre a altura da rugosidade e o fator de fricção, f , foi desenvolvida por
Colebrook-White (apud MCPHERSON, 2000). Segundo Kummu (2002) a equação
é
semi-empírica,
sendo
válida
somente
para
escoamento
turbulento,
hidraulicamente suave, em transição ou escoamento rugoso. O autor afirmou que
isto pode se verificado como:
 k

bf

= −2 log
+
 a f Rh 4 Re f 
f


1
e bf
af
(7 )
são constantes de rugosidade hidráulica e escoamento suave,
respectivamente. Sendo 12< a f <15 e 0< b f <6, se tem estabilidade para diferentes
tipos de seção transversal e também para diferentes tipos de rugosidade (GRAF,
1998). Se o escoamento é hidraulicamente rugoso a constante para escoamento
hidraulicamente suave pode ser ajustada para b f = 0 e vice-versa (KUMMU
2002).
De acordo com Chow, (1959) o escoamento hidraulicamente rugoso pode ser
definido como:
R 

= 2 log12.27 h 
k 
f

1
(8)
onde k = altura da rugosidade, Rh = raio hidráulico e f = o fator de fricção. Graf
(1998) ilustrou a equação do escoamento hidraulicamente rugoso como sendo:
R 
= 2 log h  + 2.2
f
 k 
1
(9)
_____________________________________________________________________________30
De acordo com Graf (1998) para um escoamento hidraulicamente suave e laminar
o fator de fricção pode ser definido como:
f =
24
Re
(10)
French (1986) ilustrou a equação para um escoamento hidraulicamente suave e
laminar na seguinte expressão:
f =
0.316
Re 0, 25
(11)
MANNING, 1895
A fórmula de Manning tem sido usada extensivamente para todas as formas de
escoamento uniforme e para o cálculo de escoamento em canais abertos (CHOW,
1959). Devido à sua simplicidade de forma e resultados satisfatórios de aplicação
prática, a fórmula de Mannig pode ser escrita no SI (sistema internacional) como:
U =
1 23 12
Rh S f
n
(12)
U é a velocidade média, n é o coeficiente de resistência de Mannig [ s m1 3 ],
conhecido como n Manning’s e S f é a inclinação da linha de energia.
A equação acima pode ser convertida ao sistema de unidade inglesa sem afetar o
valor numérico de n ;
 s 
n é exp resso em  1 3  = 0.6730
m 
A equação de Manning na forma inglesa é expressa da seguinte forma;
_____________________________________________________________________________31
U=
1
1.49 2 3
R2 3 S =
R
S
0.6730n
n
(13)
Em alguns livros a fórmula de Mannig pode ser escrita como;
U=
φ
n
R2 3 S
(14)
onde φ = 1.00 se for usado o Sistema Internacional (SI) e φ = 1.49 no sistema de
unidade Inglesa.
A fórmula de Manning’s é o resultado do processo de ajuste de curvas de natureza
completamente empírica (French, 1986).
De maneira prática pode-se observar um exemplo de rugosidade do fundo de
canais: na (Figura 4) observam-se às formas de fundo de um canal de terra com
os seus graus respectivos de rugosidade de Mannig de acordo com as feições do
fundo de um canal qualquer de fundo de terra:
3.2.2.1 Altura da rugosidade em canais abertos
Segundo Kummu (2002) quando um perfil da superfície de fundo é ampliado, isto
pode ser observado em uma superfície que é composta de vales e picos
irregulares. A altura efetiva da irregularidade k dá forma aos elementos rugosos na
superfície, que são chamados de altura da rugosidade k s é (ilustrado na Figura 5).
De acordo com Kummu (2002) a relação da altura da rugosidade com o raio
hidráulico é conhecida como rugosidade relativa.
_____________________________________________________________________________32
Figura 4.- Formas e rugosidade de fundo em canais de fundo de terra. Fonte: (G.J. Arcement, Jr. and
V.R. Schneider 1989) Guide For Selecting Manning's Roughness Coefficients For Natural Channels
And Flood Plains.
Figura 5.- Altura da rugosidade
k e a rugosidade k s dos grãos. Fonte: Kumu (2002)
_____________________________________________________________________________33
A rugosidade k s dos grãos de areia determinado por Nikaradse é obtida pelo
diâmetro médio dos grãos de areias (Figura 5). A altura da rugosidade média para
qualquer superfície pode ser determinada experimentalmente (CHOW, 1959).
Kummu (2002) em seus estudos, o autor desenvolveu uma técnica que pode ser
geralmente atribuída ao elemento de rugosidade como sendo a rugosidade
k seq (k s equivalente ) dos grãos de areia, foi constado neste estudo que deve se
feito um experimento para verificar a distribuição de velocidade u ( z ) nas camadas
sobrepostas das paredes tecnicamente rugosas. O autor mencionou que a técnica
de atribuição de k s eq é representada pela seguinte fórmula:

1


k seq = expK lim 8.0 + ln y − u (z ) 
K

 y → 0 
(15)
onde y é a coordenada cartesiana (ordenada), u ( z ) velocidade do escoamento na
profundidade z, K constante de Von Kármán = 0.4.
3.3
Escoamentos em canais
Esta seção trata-se de uma breve revisão de escoamento em canais, cuja varias
situações são verificadas nos itens em seguida.
3.3.1
Escoamentos dentro de canais com fundo de cascalho
Diversas investigações foram feitas a respeito do escoamento acima do fundo de
cascalho. Os estudos são realizados em condições de laboratório ou em rios
naturais. Nesta revisão será incluída a condição de escoamentos em rios.
Superfícies com o fundo de cascalho são caracterizadas pelas características
morfológicas que ocorrem em diferentes escalas de rugosidade: 1)grãos
individuais; 2) forma de fundo em pequena escala (em geral grupos de seixos) e 3)
_____________________________________________________________________________34
forma do fundo em grande escala (agrupamento de seixos em locais rasos). A
tensão de cisalhamento total que é gerada pelo escoamento acima da superfície é
equilibrada pela soma dos arrastos da fricção (originados dos grãos individuais) e
da forma da componente de arrasto (originada pela forma do fundo), (LAWLESS e
ROBERT, 2000).
Afzalimehr & Anctil (1998) estudaram a relação dos fatores de fricção com a
geometria hidráulica a jusante de um rio com fundo de cascalho. Os dados de 280
rios mostraram a existência de uma força no fundo com cascalho e uma falha na
formulação semilogarítmica usada para predizer corretamente o fator da fricção.
Uma nova formulação semilogarítmica foi desenvolvida usando ferramentas
estatísticas não-lineares.
Smart (1999) investigou o perfil de velocidade turbulenta e a tensão cisalhante em
rios de fundo de cascalho. A medição de campo foi feita em diversos fundos de
rios com cascalhos. Para esclarecer, Smart (1999) explica três problemas; 1)
define como se encontra o fundo dos atuais rios; 2) a maioria das fórmulas da
engenharia
de
rios
representatividade
do
é
obtida
parâmetro
em
de
condições
controladas;
rugosidade,
usando
3)
como
Define
a
base
o
comprimento do material que se forma no fundo dos rios.
Ferro (1999) Salientou que o problema de determinar a velocidade média em rio
com fundo de cascalho, a qual se relaciona diretamente com as propriedades do
canal que afeta a resistência ao escoamento, ainda está longe de ser resolvido.
Em outros estudos realizados por Wu and Rajaratnam (2000) foi desenvolvido um
método simples para medir a tensão de cisalhamento em limites rugosos, baseado
na clássica equação de distribuição da velocidade logarítmica. Smart (2001)
desenvolveu uma nova técnica para estimar a rugosidade da resistência do
escoamento em fundo com cascalho. Rhodes & Senior (2000) estudaram a
resistência com a rugosidade de várias escalas.
_____________________________________________________________________________35
3.3.2
Escoamentos em canais com vegetação no fundo
A restauração de rios e canais em sua forma natural levantou uma necessidade de
investigar a vegetação, os arbustos e as árvores que afetam o desempenho
hidráulico. O retardo devido à vegetação é uma parte importante para projetar a
planície da inundação. Estimar a resistência do escoamento da vegetação é de
grande importância no gerenciamento de rios e canais, porque pode ter um efeito
significativo na capacidade de transporte dos canais (JÄRVELÄ, 2002).
Freeman et al (2000) realizaram testes em laboratório com vegetação de
diferentes tipos de plantas, tamanhos, densidades, e combinações de plantas. Os
testes incluem a variação em profundidade do escoamento, variação na
velocidade, o efeito das plantas com e sem folhas e a variação das plantas
submersas. Os autores desenvolveram uma metodologia para determinar a
resistência da vegetação. Foi desenvolvida para a aplicação com dados de campo
com estimativa das características das plantas em canais compostos. Os testes de
campo adicionais foram conduzidos posteriormente para verificar a metodologia e
o sistema das equações desenvolvidas nos testes de laboratório.
Neste trabalho afirmam que, para plantas flexíveis, o coeficiente de arrasto é
então função de um número de fatores (equação 16).
CD =
f
Re (número de Reynolds), profundidade do escoamento,
altura média da planta não flexionada, tipos de plantas,
(16)
flexibilidade da planta, número de plantas por m 2 .
Como resultado deste estudo observou-se que as plantas se dobraram facilmente
com o escoamento. Os resultados mostraram velocidades significativas ao longo
do fundo do canal, causando um aumento no transporte de sedimentos. Em outros
resultados foram feitas as seguintes afirmações: no canal as massas das folhas da
_____________________________________________________________________________36
vegetação submergida arrastam-se, formando uma linha de corrente a jusante do
escoamento, dando forma ao perfil. A deformação das plantas dificulta o uso de
uma densidade constante no bloqueio ao escoamento, dificultando predizer a
resistência das plantas. As variações das formas das hastes e das massas das
folhas das plantas complicam a compreensão da resistência. Diversos tipos de
fundo, argila, cascalho e pedras, foram usados para os testes no canal. Uma
importante observação feita nos resultados é que a rugosidade no fundo não teve
nenhum efeito na resistência da vegetação que foi medida.
3.3.3 Escoamentos em rios versus escoamentos em canais sujeitos à ação
de maré
Escoamentos em canais estão sujeitos a varias situações, sob vários efeitos, esta
seção mostra as situações de escoamentos em rios e em canais de maré.
3.3.3.1 Escoamentos em rios
Em rios o escoamento se dá primordialmente pela ação direta da gravidade
através da componente do peso da água na direção do declive do canal. Pela sua
característica fundamental, o escoamento num rio se caracteriza por um único
sentido de movimento, sendo os conceitos de montante a região mais elevada, de
onde a água vem, e jusante a região mais baixa, para aonde a água vai (MELO,
1998).
Segundo Melo (1998) os escoamentos em rios são de regime permanente e
uniforme. Admitindo que o declive não mude, a componente do peso acima
referida só variará se houver alteração da quantidade de água a ser transportado
rio abaixo (por exemplo, no caso em que ocorre uma chuva). Portanto, na maior
parte do tempo, a forçante do escoamento em rios se mantém constante no tempo
abrindo assim a possibilidade de uma resposta igualmente constante no tempo, ou
seja, um escoamento do tipo permanente. Nos escoamentos em rios, as forças de
_____________________________________________________________________________37
gradiente de pressão na direção do fluxo que, nesse caso, surgem quando a
superfície da água se inclina em relação ao fundo do canal, tem uma participação
menor quando comparadas à força motriz gravitacional. Esta característica dá
origem a um tipo de escoamento no qual a componente local do peso é sempre
quase exatamente contrabalançada pela força de resistência que o fundo e as
paredes do canal (APÊNDICE W ) exercem sobre a água na seção considerada
(MELO, 1998).
De acordo com Melo (1998) esse balanço aproximado de forças faz com que haja
uma relação quasi-unívoca entre a velocidade média do escoamento (ou se for
mais conveniente a vazão) e o nível d água numa seção qualquer de um rio,
conhecida como “curva-chave”.
De fato, mesmo durante episódios de cheias, a vazão estimada diretamente a
partir do nível d’água (através da curva chave) e a vazão real do rio não diferem
muito nos cursos d’água naturais (MELO, 1998). Em canais fluviais a disposição
mais natural para o eixo x é ao longo do eixo do canal (Figura 6), de forma que a
velocidade do escoamento na direção x coincida com a declividade do canal.
Abaixo em destaca um esquema de um canal fluvial:
3.3.3.2 Escoamentos em canais sujeitos à ação de maré
Supondo águas de densidade aproximadamente uniforme, um canal de maré só
apresentará escoamento quando surgirem diferenças no nível d’água no seu
interior, independentemente da topografia do fundo. Devido ao caráter periódico
da maré oceânica, o escoamento nesse tipo de canal é fundamentalmente
oscilatório, ou seja, apresenta inversões periódicas e sistemáticas de sentido, não
havendo, assim, a possibilidade do escoamento ser permanente. È interessante
observar também que a inexistência de um sentido exclusivo de movimento torna
os conceitos de montante e jusante inexpressivos para um canal de maré (MELO,
1998).
_____________________________________________________________________________38
Figura 6.-Canal Fluvial (esquemático), x = direção do fundo do canal, positivo para jusante;
U = velocidade média na seção na direção x ; θ = declividade do canal em relação à horizontal (é
positiva quando inclinada no sentido do escoamento); h = altura d’ água total (na direção z ) a partir
do fundo. Fonte: Modificado de (Melo, 1998)
Num canal de maré não é possível, obter uma relação unívoca entre o nível d’
água e a velocidade média do escoamento, pois esta última, neste caso, depende
do gradiente horizontal do nível e não do seu valor absoluto. Assim sendo, é
possível encontrar correntes as mais variadas, inclusive com sentidos inversos,
para um mesmo valor (instantâneo) do nível d’ água num canal de maré. Não há,
portanto, como construir uma curva chave para esse tipo de canal (MELO, 1998).
Nos canais de maré, o sistema de coordenadas usadas é um no qual o eixo - x é
exatamente horizontal e coincidente com a superfície de repouso da água (Figura
7). Este é o sistema natural neste caso, pois o escoamento é o resultado de
perturbações da condição de equilíbrio a qual aqui, ao contrario dos canais
fluviais, corresponde à condição de repouso da água. A Figura 7 destaca um
esquema de um canal de maré.
_____________________________________________________________________________39
Figura 7.-Canal de Maré (esquemático), onde x = horizontal, situado no nível de repouso da água; n =
posição da superfície livre da água (positivo quando acima do nível de repouso); H = h0 + n, com h0 =
profundidade local ( em relação ao nível de repouso). Fonte (Melo, 1998).
3.4
Revisão de estudos realizados no Canal da Passagem e sobre o
Ecossistema Manguezal
Uma breve revisão será dada nesta seção destacando-se alguns estudos
realizados nas proximidades e dentro do Canal da Passagem. Neste item serão
tratados os assuntos relacionados ao Canal da Passagem e ao ecossistema
manguezal.
O Canal da Passagem, juntamente com sua área de manguezal da Ilha do
Lameirão e zona estuarina constitui um criadouro natural para as diversas
espécies de moluscos, crustáceos e peixes existentes neste ambiente, sendo as
atividades pesqueiras e a cata de caranguejos importante suporte econômico e
social para a região, que possui, ainda, indiscutível vocação natural de centro
turístico.
Em sua extremidade norte a há uma área denominada Estação Ecológica
Municipal Ilha do Lameirão, que foi criada em setembro de 1986. Limita-se ao
norte com o município da Serra e ao sul com o canal do Lameirão.
A Estação Ecológica Municipal Ilha do Lameirão faz limite com os bairros Jabour e
Maria Ortiz e com o Canal da Passagem e a oeste com as águas da baía de
Vitória. Compreendendo uma área de 8.918 km 2 , é cortada por inúmeros canais e
_____________________________________________________________________________40
está localizada ao norte da Ilha de Vitória (GUIMARAES, 1995). Constituída por
uma parte insular (Ilha de Apicu ou Lameirão) e por uma parte continental com
uma cobertura vegetal formada por manguezais, vegetação de restinga e
remanescentes da Mata Atlântica.
A Estação Ecológica é considerada uma das maiores áreas brasileiras de
manguezal em região urbana (Figura 8).
Desembocadura do Rio Santa Maria
da Vitória, boca do estuário.
Estação Ecológica Municipal do
Manguezal da Ilha do Lameirão
Canal da Passagem
Figura 8.-Foto ilustrativa do Manguezal da Ilha do Lameirão Canal-norte. Fonte: (SEAMA) Secretaria
Estadual de meio Ambiente Vitória ES.
No Manguezal da Ilha do Lameirão se encontram as ilhas da Cal, Pólvora e outras
cinco menores. Abrigando uma vasta fauna, a estação ecológica é rica em
moluscos e crustáceos servindo de berçário para reprodução de diversas
espécies. Peixes como tainhas e robalos são comuns na região. Também podem
ser encontradas aves como garças, socós, martim - pescador e pequenos animais
((SEAMA) Secretaria Estadual de Meio Ambiente de Vitória ES 1992 ).
_____________________________________________________________________________41
Toda essa biodiversidade pode estar ameaçada pela degradação desse
ecossistema. Diante desses problemas ambientais a comunidade cientifica passou
a se preocupar e a executar projetos ambientais para acompanhar a situação
desse ecossistema. Um desses projetos ambientais foi o uso do modelo DIVAST
(Falconer, 1976) ao longo do Sistema Estuarino da Ilha de Vitória – ES. O modelo
relacionou a hidrodinâmica com a qualidade da água do Sistema Estuarino da Ilha
de Vitória (ROCHA, 2000).
Dando continuidade aos projetos ambientais na região do sistema estuarino da
Ilha de Vitória, o estudo da região do Canal da Passagem se faz necessário. As
águas que escoam na região do Canal da Passagem estão sujeitas a uma série
de fatores físicos presentes no local como: batimetria, maré, correntes,
temperatura e ondas. Estes fatores físicos contribuem de maneira significativa
para o processo de mistura e movimentação das águas no Canal da Passagem.
Neste canal tem-se observado a presença de um fenômeno intrínseco deste local,
conhecido como o Tombo da maré. O primeiro pesquisador a notar a ocorrência
desse fenômeno no canal foi o professor J. L. Helmer, do Departamento de
Biologia da Universidade Federal do Espírito Santo. Em Rigo et al (1993)
determinaram a sua provável localização no interior do Canal da Passagem: O
autor fez o seguinte relato a respeito do fenômeno do Tombo da Maré:
“Foi observado que existe um período de tempo no qual o canal escoa em direção
à praia de Camburi. Após este período surge novamente o ” Tombo da Maré ”,
agora da maré vazante. O tombo da maré vazante acontece aproximadamente na
mesma região onde se deu o Tombo da maré enchente, a partir desta região o
escoamento flui em duas direções opostas, para a praia de Camburi e para a Baía
de Vitória”.
_____________________________________________________________________________42
Em outro estudo da Baía do Espírito Santo, Rocha (2000) utilizou o modelo
bidimensional DIVAST (Falconer, 1976) para relacionar a hidrodinâmica com a
qualidade de suas águas.
Castro (2001) aplicou o modelo DIVAST (Falconer, 1976) para determinar a
influência do Canal da Passagem na balneabilidade da praia de Camburi, através
do uso de traçadores.
Guimarães (1995) estudou o comportamento hidrodinâmico no Canal da
Passagem com um modelo hidrodinâmico unidimensional, através de dados de
elevação e corrente no Canal da Passagem.
Barros (2002) utilizou o modelo DIVAST (Falconer, 1976) para identificar os
processos físicos na hidrodinâmica das águas no entorno da Ilha de Vitória.
Verificou, através de dados experimentais de maré e velocidade, a dominância da
maré vazante, identificando a assimetria de maré na região do Canal da
Passagem.
Em outro estudo, Chacaltana et al (2003) estudaram a hidrodinâmica do sistema
estuarino no entorno da Ilha de Vitória, para verificar o padrão de escoamento da
região. Usaram um modelo DIVAST (Depth Integrated Velocity And Solute
Transport) (Falconer, 1976), modelo que dá solução às equações de águas rasas
pelo método das diferenças finitas, em uma malha uniforme com elementos
quadrados. Maiores detalhes sobre o modelo podem ser encontrados em
(FALCONER 1976). Os resultados para correntes modeladas são apresentados
considerando dois casos. No primeiro, para efeitos de comparação, não é
considerado o alagamento do manguezal e no segundo considera-se com
alagamento. Os resultados numéricos mostram que a região alagada do
manguezal tem uma influência importante nas correntes, sendo responsável por
um aumento de até 45% do valor das velocidades obtidas quando não se
considerou o alagamento.
_____________________________________________________________________________43
Paiva & Albino (2000) através de um estudo sedimentológico do material de fundo
do sistema estuarino da região metropolitana de Vitória, ES determinaram os
teores de matéria orgânica e granulométrica do fundo do sistema estuarino. Os
resultados mostram uma areia muito fina associada às desembocaduras do Rio
Santa Maria da Vitória e do Canal da Passagem, como também a região do tombo
da maré determinada por (RIGO et al. 1993), sugerindo que essas regiões são
propicias à deposição do material mais fino.
As areias médias são encontradas na porção central do Canal da Passagem, e na
extremidade sul do canal areia muito grossa e grânulos, devido ao aporte marinho
trazido para o interior do canal pelas correntes litorâneas. Maiores detalhes sobre
a metodologia deste trabalho podem ser encontrados no (ANEXO F).
3.4.1
Ecossistema Manguezal
Os manguezais em geral são ecossistemas costeiros de transição entre os
ambientes terrestres e aquáticos, característicos de regiões tropicais e
subtropicais e sujeitos ao regime de marés. São constituídos por espécies
vegetais lenhosas típicas adaptadas a flutuações de salinidade e a um sedimento
predominantemente lodoso, com baixos teores de oxigênio.
Ocorrem em regiões costeiras principalmente abrigadas e apresentam condições
propícias para a alimentação, proteção e reprodução de muitas espécies de
animais, sendo considerados importantes geradores de bens e serviços
(SCHAEFFER-NOVELLI, 1991). Entende-se por bens os produtos retirados direta
e indiretamente de determinado ecossistema. Serviços compreendem as funções
ecológicas exercidas pelo mesmo, isto é, ciclagem de nutrientes e manutenção da
diversidade biológica do ecossistema.
No que diz respeito à energia e à matéria, são sistemas abertos recebendo, em
geral, um importante fluxo de água doce, sedimentos e nutrientes do ambiente
_____________________________________________________________________________44
terrestre e exportando água e matéria orgânica para o mar ou águas estuarinas
(SCHAEFFER-NOVELLI, 1991).
O manguezal é uma formação tropical, ocorrendo entre as latitudes 23°30' N e
23°30' S, com extensões subtropicais até 30°, quando há condições favoráveis. O
maior desenvolvimento, no entanto, é encontrado na região equatorial. A flora de
manguezais no Brasil é constituída por sete espécies em 4 gêneros
(SCHAEFFER-NOVELLI, 1991):
Rhizophora (3 espécies)
Avicennia (2 espécies)
Laguncularia (1 espécie)
Conocarpus (1 espécie)
No Manguezal da Ilha do Lameirão, presente no canal da Passagem é encontrada
com mais freqüência às espécies Rhizophora, Avicennia e Laguncularia. As
espécies são descritas na (Figura 9), juntamente com o esquema da vegetação ao
longo do Canal da Passagem onde são mostrados os níveis de maré alta e baixa
no canal.
As espécies do manguezal podem sobreviver num ambiente que apresentam
diversas condições estressantes, graças ao conjunto de adaptações que
possuem, como raízes escora para fixação em solo frouxo, lenticelas nas raízes
respiratórias e nas raízes escora, raízes com alta pressão osmótica, impedindo a
entrada do sal, glândulas secretoras de sal, folhas suculentas que possibilitam a
diluição do sal, e folhas coriáceas que dificultam a perda de água (SCHAEFFERNOVELLI, 1991).
_____________________________________________________________________________45
Figura 9.-Ilustração de 3 espécies encontradas no ecossistema manguezal da Ilha do lameirão junto ao
esquema de distribuição da vegetação ao longo do canal da passagem. Fonte: Esquema Modificado
(OSÓRIO T. F. 2002, dissertação de Mestrado Piracicaba)
Em termos ecológicos, o ecossistema manguezal pode ser tratado através de
uma abordagem que se baseia no conceito de “assinatura energética”, proposta
por Odum (1967), que considera diversos fatores abióticos atuando sobre os
ecossistemas (Figura 10).
_____________________________________________________________________________46
Figura 10.-Esquema de energia subsidiaria condicionando a assinatura energética do ecossistema
manguezal adaptado de Twilley 1995 ( Apud CUNHA 2001).
Lugo & Snedaker (1974) apresentaram uma classificação de três tipos fisiográficos
de manguezais os quais apresentam características estruturais diferentes:
bosques ribeirinhos, bosques de franja, ilhotes e bosques de bacia. Os outros
tipos fisiográficos de manguezais (anões e de rede) são considerados tipos
especiais (CINTRÓN et al., 1980). Considerando a classificação de Lugo &
Snedaker (1974), o tipo de bosques de bacia é o que mais se aproxima do
Manguezal da Ilha do Lameirão que se situa no Canal da Passagem (Figura 8).
Embora haja alguns fragmentos de mangue que franjam a foz do rio Santa Maria
da Vitória e também uma pequena franja (APÊNDICE X) que fica próxima à ponte
da Passagem próxima a UFES (Universidade Federal do Espírito Santo).
Neste tipo fisiográfico de bosque de bacia que se aproxima do Manguezal da Ilha
do Lameirão, a renovação de água se faz de forma lenta, sendo um aspecto
negativo para a qualidade de suas águas (dentro de uma ampla área limitando
gradientes físicos químicos).
Nesses ecossistemas manguezais são encontrados diferentes tipos de habitats
disponíveis, tais como a copa das árvores, poças d' água, superfície do solo, o
próprio substrato e os canais de água desses ecossistemas. A fauna encontrada é
composta por espécies residentes, organismos marinhos jovens (criadouro) e
visitantes marinhos e dulciaqüícolas. A proporção desses componentes numa área
estuarina varia durante o ano segundo a salinidade. Peixes, aves, crustáceos,
_____________________________________________________________________________47
moluscos e outros invertebrados encontram nos manguezais alimento, refúgio
contra predadores e área para reprodução e crescimento.
O ecossistema de manguezais são os ecossistemas mais produtivos do mundo,
sendo considerados também uma importante base nutricional para cadeias
alimentares de estuários e possuem grande importância comercial (CINTRÓN et
al., 1980). A Figura (11) mostra o quanto de material de planta cresce nos
estuários em um período de tempo dado (até 25 toneladas por hectare/ano), em
comparação com outros habitats.
Figura 11.- Ecossistemas produtivos. Fonte: www:epa.gov.
Além disso, o manguezal é um ecossistema de grande importância, pois propicia
(CINTRÓN et al., 1980):
amenização do impacto do mar na terra;
controle da erosão pelas raízes de mangue;
retenção de sedimentos terrestres do escoamento superficial;
filtro biológico de sedimentos, nutrientes e mesmo poluentes, o que impede
o assoreamento e a contaminação das águas costeiras;
abrigo da fauna, particularmente em estágios juvenis;
exportação de matéria orgânica para cadeias alimentares adjacentes.
_____________________________________________________________________________48
Os manguezais também têm grande importância econômica, devido a:
Extrativismo;
Agricultura;
Silvicultura.
Das atividades econômicas dos manguezais citadas anteriormente somente é
observada no Manguezal da Ilha do Lameirão com mais freqüência, é o
extrativismo, principalmente o pescado e a cata de caranguejos. A sivilcultura não
se destaca neste ecossistema. Somente em casos em que foi feito aterro de área
de mangue se verificou o uso da madeira.
3.4.2 Impactos antrópicos em Manguezais
Segundo Bryon (1994) a degradação dos manguezais na maioria das vezes tem
sido devida aos impactos antrópicos decorrentes principalmente do processo de
desenvolvimento e ocupação da costa metropolitana, que apresenta a
predominância de assentamentos humanos que determinam o rompimento de
processos ecológicos, contribuindo para a degradação dos ecossistemas
estuarinos,
com
rebatimento
direto
nos
manguezais,
inviabilizando
o
aproveitamento sustentável dos recursos ambientais dessas áreas.
O principal vetor, na ocupação desses espaços, pode ser resumidamente
enunciado como sendo a desconsideração dos reais valores intrínsecos dessas
áreas (os usos diretos, indiretos, opcionais e de existência), o que vem gerando
usos não compatíveis com a sustentabilidade dos ecossistemas. Entre esses usos
incompatíveis pode-se destacar (BRYON, 1994):
assentamento humanos em suas margens,
expansão da malha urbana em suas margens ou periferia,
diluição de esgoto e disposição de lixo nas margens dos rios ou
diretamente sobre os mangues.
_____________________________________________________________________________49
Ainda tratando-se do caso específico de manguezais, os impactos antrópicos mais
incidentes são: obras de canalização, construção de barragens, aterros,
derramamentos de petróleo, descargas de efluentes, descartes de resíduos
sólidos, implantação de empreendimentos extrativistas (piscicultura, sivilcultura) e,
mais recentemente, a contaminação por metais pesados.
O despejo de efluentes líquidos promove perturbações estruturais de valor
ecológico, além da perda de valores sociais e econômicos; porém, a adoção de
medidas corretivas (remoção e tratamento dos resíduos) apresenta a possibilidade
de recuperação (SCHAEFFER-NOVELLI & CINTROM, 1994).
A região do Canal da Passagem, estudo de caso deste trabalho, é mostrada no
capitulo de metodologia; esta região vem sofrendo ao longo dos anos alguns
desses impactos citados anteriormente. Os principais impactos no canal são os
despejos de efluentes que saem da estação de tratamento Municipal da CESAN
(Companhia Espírito Santense de Saneamento) (ANEXO E), lançamento de
efluentes domésticos sem tratamento e aterros de áreas de manguezal.
Os impactos de origem antrópica, como a contaminação devido ao lançamento de
efluentes domésticos sem tratamento, geram impactos, principalmente sobre a
paisagem, coluna d’ água, hidrodinâmica estuarina, biota, produtores primários,
solo e comunidade local.
Como resultado, tem se prejuízos à qualidade da água e dos solos do estuário,
além de um comprometimento da produtividade do sistema estuarino, da
biodiversidade, do ciclo de vida das espécies aquáticas, dos valores estéticos e
paisagísticos, da recreação e turismo (FIELDMAN, 1999).
_____________________________________________________________________________50
3.5
Revisão
bibliográfica
de
autores
que
utilizaram
modelos
computacionais para planície alagada, com ou sem vegetação, em
canais sujeitos à ação de maré.
Neste item serão abordadas as pesquisas realizadas anteriores ao estudo desde
trabalho, pertinentes a esta dissertação. Atualmente, há uma nova tendência de
estudo, que vem sendo cada vez mais divulgada na literatura, devido
principalmente à importância ambiental que as áreas de alagamento com
vegetação vem tendo perante o mundo. A nova tendência é o estudo da
hidrodinâmica de regiões alagadas com vegetação de mangue ou outras
vegetações. Com essa tendência há um aumento do interesse na conservação e
reabilitação de florestas de manguezais, que ocasionará também um aumento de
aplicação de modelos de qualidade da água e modelos de hidrodinâmica para o
gerenciamento da poluição.
3.5.1 Revisão de estudos anteriores
A modelagem da hidrodinâmica de estuários e zonas costeiras sujeitas à ação da
maré conheceram nas duas últimas décadas uma grande evolução, sendo
atualmente prática corrente, quer para a simples caracterização da circulação,
quer como ferramenta de base para o planejamento e gestão de sistemas
costeiros. Os modelos hidrodinâmicos são ainda uma das componentes de
qualquer programa de investigação ambiental (BERZIN et al 1997).
Os modelos bidimensionais integrados na vertical são os mais divulgados e
podem atualmente ser processado em micro-computadores. Estes modelos
começaram a ser desenvolvido no final dos anos 60 (Leendertse, 1967) e tiveram
grande desenvolvimento cientifico nas décadas 70 e 80 (ABBOTT et al,1973 ;
FALCONER 1984). Para uma visão geral citaremos um resumo de alguns
modelos e as suas capacidades e aplicações, na Tabela 2 abaixo.
_____________________________________________________________________________51
Tabela 2: Resumos de modelos computacionais, fonte: (Martin 1999).
Modelo
Branch-Network Flow Model
(HSCTM-2D)
Hidrodinâmica, Sedimento e
Modelo de Transporte de
Contaminante.
FESWMS-2DH)
Elemento finito na superfície
de água modelada no
sistema.
(ECOM-3D/POM)
Estuários, costas e modelos
em oceanos.
(MECCA)
Modelo para estuário e taxa
de circulação em zona
costeira
TELEMAC
Pode modelar correntes
devido à maré
Dimensão do
Modelo
Efeito Considerado
Aplicação do
Modelo
Unidimensional
Vento, fricção no fundo,
diferença de densidade.
Em rios e
estuários.
2D(bidimension
al integrado na
vertical).
Força de Coriolis, maré, água
doce em turbulência, gradiente
de salinidade horizontal.
Em hidrodinâmica
de Rios e
estuários.
2DH(bidimensio
nal integrado na
vertical).
Força de Coriolis, vento, maré,
escoamento de água doce.
Rios com águas
rasas, inundação
no plano, toda
extensão de
estuário, mar e
costas de águas
rasas.
3D
(Tridimensional).
Efeito de maré, Vento, níveis
de gradiente da densidade da
água e correntes
tridimensionais.
Estuários, oceano
e costa.
3D
(Tridimensional).
Maré, vento e densidade
forçada por escoamento
turbulento em baias.
Estuários e zona
costeira.
2D(bidimension
al)
Vento, pressão atmosférica e
força de coriolis
Estuários, rios e
zona costeira.
2D e 1D
Refração, fricção no fundo,
variação na altura da onda na
vertical, Quebra da onda.
Estuários e zona
costeira.
2D
Vento, fricção no fundo, força
de coriolis, maré, transporte de
solutos, transporte turbulento
de reynolds.
Estuários e zona
costeira
MIKE 21
Pode modelar a
transformação de ondas,
correntes ondas e maré,
dispersão e advecção,
qualidade da água, transporte
de lama e sedimentos.
DIVAST
Modela corrente devido a
ondas e marés, predizer
parâmetros de qualidade da
água a partir de vazão de rios
e efluentes.
Diante da existência de vários modelos, será mostrada adiante uma revisão breve
sobre estudos
que utilizaram
modelos computacionais
para
predizer a
hidrodinâmica em regiões costeiras. Há uma grande necessidade de um
_____________________________________________________________________________52
entendimento melhor dos efeitos dos impactos ambientais na qualidade da água
destas regiões. Portanto, com este propósito, será mostrada em seguida uma
relação de autores que utilizaram modelos em regiões costeiras, relacionados
principalmente a manguezais, baías e estuários.
WOLANSKI et al (1980 e 1990)
Wolanski et al (1980) com um modelo matemático para o movimento de águas e
sedimentos dentro do córrego do Coral em Missionary Bay, ao norte de
Hinchinbrook, na porção norte da Austrália, verificaram que em regiões estuarinas
tropicais dominadas por manguezais, a vegetação possui uma importante
influência no padrão de circulação residual, devido à resistência ao escoamento
provocada pelo atrito com a vegetação.
Como principal resultado desta investigação foi observado que o arrasto
provocado pela vegetação na floresta de mangue é responsável pelo padrão de
assimetria observado para as velocidades das correntes nos canais de maré, que
apresentaram velocidades máximas de vazante geralmente de 20% a 50%
maiores que as velocidades máximas de enchente.
O estudo foi realizado no canal de maré Hinchinbrook, na Austrália, cuja extensão
é 44 km é um canal conectado em seus extremos sul e norte à plataforma
continental da grande barreira de corais; esse canal draga um manguezal de 164
km 2 de área. A dinâmica da água dentro do canal quando banha a planície de
manguezais é estudada através de um modelo numérico bidimensional integrado
na vertical HYDRO, para representar a região do canal de maré e calcular suas
velocidades (FALCONER, 1986). Nesse estudo, a área de mangue foi assumida
como uma área de armazenamento lateral, onde a elevação do nível d’água foi
considerada como sendo igual àquela da célula do canal de maré na fronteira
canal - mangue.
_____________________________________________________________________________53
MAZDA et al. (1995 e 1999)
Mazda et al (1995) utilizaram um modelo bidimensional para investigar a
assimetria de maré causada pela vegetação de manguezal em um canal de maré
hipotético. Os autores apontam que o arrasto provocado pela vegetação de
manguezal é o principal mecanismo no controle da elevação do nível d’água e das
velocidades nesta região. Em outro trabalho realizaram um estudo sobre a
dependência da dispersão dentro de um córrego de maré com densidade de
vegetação franjando uma região de mangue alagada. O modelo usado foi o
mesmo de Mazda et al (1999) para córrego de maré influenciado por água doce
em mangue o desenho é representado na Figura (12). A circulação secundária
prevalece dentro dos sistemas de manguezais alagados, causada pelo excesso de
escoamento dentro de cada elevação de maré em planície alagada.
Segundo Mazda et al (1999) os resultado mostraram que os materiais suspensos
e dissolvidos que se movem com a circulação são depositados na planície
alagada para uma fração do ciclo de maré, ou seja, escoam para fora da planície
alagada na maré vazante e se dispersam no córrego. Há uma relação não linear
entre o coeficiente de dispersão e a densidade da vegetação.
A dispersão é alta para situações de planície sem vegetação e de alta densidade
de vegetação, no caso de densidade intermediária de vegetação a dispersão é
mínima.
MELO et al (1997)
Melo et al (1997), em estudo no sul do Brasil, mais especificamente na baia de
Florianópolis, investigaram a onda de maré estacionária e a sua influência na
poluição da baía. A investigação foi feita através de um modelo bidimensional
numérico verticalmente integrado baseado nas equações de águas rasas. Os
parâmetros considerados pelo modelo são: o coeficiente de fricção de Chezy e o
_____________________________________________________________________________54
parâmetro de Coriolis. As soluções das equações são obtidas por meio de um
esquema cartesiano de diferenças finitas desenvolvido por Martins (apud MELO et
al, 1997, pp143-151) e que emprega o método ADI implícito direto proposto por
Stelling (apud MELO et al, 1997, p.143 e p.151).
Figura 12.- Seção transversal do modelo de um sistema de um córrego de manguezal influenciado por
água doce (R-type mangal). Fonte: Adaptado de MAZDA et al 1999.
Os resultados do modelo indicam que há um padrão de onda de maré estacionária
da componente M 2 (componente de maré lunar semidiurna) dentro da baía com
um antinodal situado no meio do sul da baía. Os argumentos físicos para explicar
esta característica são apresentados e as implicações ambientais são de que no
antinodo da onda ocorre a falta de movimento horizontal da água (em
conseqüência da falta dos gradientes horizontais da pressão devido à superfície
ser localmente plana).
As implicações ambientais são concernentes do antinodo da componente M 2 no
meio da parte sul da baía. O padrão de correntes associado com o padrão de
ondas é tal que algumas partículas ou substâncias podem ser transportadas pelo
escoamento acumulando em torno da região do antinodo, onde o escoamento
tende a convergir.
_____________________________________________________________________________55
WU et al. (2000), STRUVE et al (2003) e outros estudos.
Wu et al (2000), através de um estudo experimental, modelaram a influência da
vegetação de mangue no escoamento da área da seção transversal. O estudo foi
realizado com um modelo matemático bidimensional integrado na profundidade;
neste no modelo foram incluídos o termo da força de arrasto e a porosidade.
Nesta investigação foram estudadas duas situações: a primeira em que se
considerava o escoamento estacionário no canal com árvores de manguezais
distribuídas no meio da extensão do canal, ao longo de ambos os lados. A
segunda situação em que o escoamento de maré é direto no canal de franja de
manguezal alagado. Neste estudo verificou-se que a força de arrasto e o bloqueio
representam um importante papel quando a porosidade das árvores de manguezal
é menor que 0.8.
Nesta mesma linha de investigação, no ano de 2003 outros estudos foram
realizados pelos autores Struve et al (2003), para investigar a influência do modelo
de árvores de mangue na hidrodinâmica de um canal, através de um experimento
em canal hidráulico com a utilização do modelo numérico DIVAST 2D
hidrodinâmico integrado na profundidade, descrito e detalhado por FALCONER
(1986) e WU et al (2001).
Este modelo foi modificado para considerar os efeitos hidráulicos do modelo de
árvores. Os resultados sugerem que o coeficiente de arrasto pode aumentar com
a quantidade de árvores na superfície do escoamento, mas ainda são necessários
mais dados para confirmar esta informação.
Na mesma época, no Brasil, Araújo et al (2000) realizaram estudos no estuário do
rio Massagana, próximo ao Porto de Suape, no Estado de Pernambuco, utilizando
um sistema bidimensional horizontal 2D-H, baseado nas equações de águas
rasas, desenvolvido pelo Instituto de pesquisas Hidráulicas da UFRS.
_____________________________________________________________________________56
No estudo foi realizada a calibração da hidrodinâmica em estuário balizada pela
propagação da maré. A calibração consistiu na comparação direta entre os sinais
de maré, usando como parâmetros de ajuste a rugosidade de fundo. Os
resultados representaram de maneira satisfatória um corpo d’água de escoamento
complexo cuja hidrodinâmica sofre grande Influência das condições de contornos
naturais. O sistema computacional foi capaz de reproduzir bem a hidrodinâmica do
estuário, nas condições típicas de maré de sizígia.
Em estudo mais recente sobre qualidade da água, utilizando o modelo numérico
bidimensional DIVAST, Gupta et al (2003) realizaram simulação da qualidade de
água do córrego do Thane na Índia cidade de Mumbay na Índia, realizando
estudos para determinar a capacidade assimilativa do efluente doméstico lançado
no córrego. Os resultados mostraram que a capacidade de diluição do córrego do
Thane é limitada, as descargas múltiplas de efluentes domésticos deterioraram a
qualidade de água significativamente. A extensão da poluição é mais
experimentada na parcela interna do córrego.
Os resultados da simulação feita com o modelo de DIVAST da hidrodinâmica e
qualidade da água mostram que o escoamento de efluente doméstico projetado (e
as cargas) são muito acima da capacidade assimilativa do córrego e,
conseqüentemente, as cargas volumétricas no córrego necessitam ser restringida.
A opção de deslocar a posição das descargas ao centro do córrego não rendeu
nenhuma melhoria apreciável na qualidade de sua água.
Nos anos 90, Kjerfve at al (1991) utilizaram o modelo numérico implícito
bidimensional descrito por Wolanski et al (1980) com sucesso na simulação da
circulação de águas na entrada norte da Carolina Norte, U.S. A., em um sistema
de estuário que consiste de 32.2 km 2 de extensão de córrego de maré e planície
de maré. A simulação resultou na assimetria de maré no escoamento longitudinal
dentro da planície de maré.
_____________________________________________________________________________57
Em um estudo realizado por Nakatsuji et al (2003) pesquisaram através de um
modelo matemático, os processos físicos em um estuário de manguezais da
Malásia. Os experimentos de campo no manguezal do estuário da Malásia foram
conduzidos pela Universidade de Sains na Malásia, forneceram algumas
características interessantes, peculiares a um sistema de manguezal do estuário;
isto é, a variação assimétrica do escoamento de maré observado na boca do
estuário, não estratificado e misturado verticalmente, depende da amplitude, da
inundação e do armazenamento da maré nos ambiente alagados. A fim de simular
tais fenômenos físicos, uma representação nova no modelo matemático foi
desenvolvida, para o escoamento de maré e a intrusão salina nos córregos de
manguezais, assim como toda a inundação no mangue.
Neste trabalho o modelo proposto é composto de um modelo baroclínico
tridimensional do escoamento para córregos de manguezais e de um modelo
bidimensional integrado na profundidade para ambientes alagados (DIVAST).
Baseado em resultados obtidos pelo modelo, as características hidrodinâmicas em
estuários de manguezais franjados foram investigadas neste estudo.
Para fazer experimentos de processos físicos acima mencionados, uma
representação do modelo matemático é aplicada. As mudanças no tempo e
espaço do escoamento e densidade nos canais de marés foram simuladas com
um modelo computacional (3-D) tridimensional, e na planície alagada com o
modelo computacional bidimensional (2-D) (DIVAST).
Neste estudo de caso do estuário de Sungai Merbok na Malásia, os resultados do
modelo mostram uma concordância boa com os dados observados, refletindo
claramente algumas características dos estuários com manguezais. Por outro
lado, acredita-se que uma melhoria adicional pode ser conseguida talvez fazendo
o refinamento do modelo matemático, baseado em dados de campo mais
confiável.
_____________________________________________________________________________58
Contextualizando os objetivos deste trabalho em relação às revisões bibliográficas
apresentadas anteriormente, alguns fatores como a rugosidade do fundo do canal,
a fricção do mangue e o estreitamento do canal, afetam o escoamento em canais
sob a ação de marés com planície de mangue (WU et al 2000). Sabendo-se que a
hidrodinâmica tem grande importância na qualidade da água do Canal da
Passagem, este trabalho insere-se na linha de pesquisa de trabalhos que
relacionaram a hidrodinâmica com a qualidade da água.
No capitulo seguinte é explicado como foi a elaboração do trabalho, isto é, quais
os materiais e os métodos empregados, bem como detalhes de implementação do
modelo computacional DIVAST. O modelo fui implementado para toda a extensão
do Canal da Passagem incluído a área alagada coberta por vegetação de
manguezal.
_____________________________________________________________________________59
Capítulo 4
METODOLOGIA
_____________________________________________________________________________60
4. Material e Métodos
Neste capítulo será apresentada a região de estudo e a metodologia utilizada para
o levantamento e análise dos dados experimentais, bem como para a implantação
do modelo computacional DIVAST (Falconer, 1976) para a região do Canal da
Passagem.
4.1
Região de Estudo
Nestes itens em seguida serão apresentadas a metodologias de levantamento de
parâmetros utilizados pelo modelo computacional DIVAST e características do
canal da Passagem.
4.1.1 Introdução
O principal afluente do Sistema estuarino da grande Vitória, Figura (10), é o Rio
Santa Maria da Vitória, que contribui com uma descarga fluvial que varia de 3 m 3 s
(durante o dia) a 20 m 3 s (durante a noite).
A região a ser estudada compreende todo o Canal da Passagem, incluído a região
de manguezal em torno de suas margens, retângulo na Figura (13); a região foi
dividida em duas partes para um melhor detalhamento de estudo. Na Figura (13)
observam-se respectivamente a extremidade sul e norte do Canal da Passagem.
Este canal situa-se na porção nordeste da Ilha de Vitória, município de Vitória
(ES), entre as coordenadas (200 12’ 00” W, 210 18’ 00“ S) , sendo um estreito e
sinuoso braço de mar que liga a Baía do Espírito Santo à Baía de Vitória
(GUIMARÃES, 1995). A Figura (14) ilustra o domínio computacional da malha
(retângulo vermelho), a estação maregráfica da vale ambos utilizado no estudo e o
Sistema estuarino do entorno da Ilha de Vitória.
_____________________________________________________________________________61
Rio Santa Maria da Vitória
Baía do
Espírito
Santo
Canal da
Passagem
Manguezal da
Ilha do Lameirão
Baía de Vitória
Canal da
Passagem
Figura 13.- A região de estudo compreende todo o canal da Passagem, (A) e (B) correspondem
respectivamente às extremidades Sul e Norte do Canal da Passagem: Fonte: foto ES- CAR UFES
Figura 14.- Sistema estuarino do entorno da Ilha de Vitória e o domínio da malha computacional
utilizada na região de estudo (retângulo vermelho) e no ponto em vermelho (M3) a estação maregráfica
da vale.
_____________________________________________________________________________62
4.2
Levantamento de dados de campo
Para que o modelo computacional simule o escoamento no Canal da Passagem, é
preciso obter a profundidade do escoamento no canal e mangue (área de
secagem e alagamento do manguezal), parâmetros de velocidade de corrente e
elevação da superfície da água, rugosidade do canal e valores de rugosidade
utilizados em áreas de manguezais.
4.2.1 Dados experimentais
Com o intuito de investigar o padrão de escoamento no Canal da Passagem, foi
realizado um levantamento prévio de dados e informações existentes sobre a
hidrodinâmica local.
Os dados experimentais obtidos incluem batimetria da região do canal e do
manguezal, registros de elevação do nível do mar e velocidades de correntes. Os
dados de elevação do nível do mar foram utilizados nas condições de contorno e
na comparação dos resultados fornecidos pelo modelo para as simulações
realizadas.
O sistema estuarino do entorno da Ilha de Vitória possui um regime de
micromarés, com amplitudes máximas em torno de 0,9m e 1,7m (ANEXO B) para
marés de quadratura e sizígia, respectivamente. A principal componente
harmônica de maré para a região é a M2, lunar semidiurna (ANEXO C) com
período de 12,4h. A onda de maré que entra pela extremidade norte do canal sofre
um atraso de fase de aproximadamente 1 hora em relação à onda de maré que
entra pela extremidade sul do canal. Os dados utilizados neste estudo foram
obtidos através de levantamentos anteriores realizados pelo GEARH/UFES
(Grupo de Estudos e Ações em Recursos Hídricos da Universidade Federal do
Espírito Santo) e a partir de dois levantamentos de dados em campo realizados na
_____________________________________________________________________________63
região do Canal da Passagem (Figura 15) para a obtenção de informações da
velocidade em situações de marés de quadratura e sizígia, em 20/08/03 e
15/09/03, na região do Canal da Passagem.
Figura 15.-Pontos de coleta de dados experimentais e distribuição das estações ao longo do canal
A correta resolução dos campos de velocidade pelo modelo hidrodinâmico está
diretamente associada a uma boa representação do relevo de fundo para o
domínio fluido modelado. No presente estudo foram utilizadas diferentes fontes de
dados batimétricos. Para o levantamento de batimetria foi utilizada a carta DHN
(Carta Náutica no 1401) e realizadas as medições de batimetria em de 1999 e
_____________________________________________________________________________64
2000. Logo depois desse período, em 04/01/03, outro levantamento, porém com
alguns ajustes na batimetria foi realizado na região de Maria Ortiz até Caeiras.
As medições (direção e intensidade) de velocidade foram realizadas com um
correntógrafo Sensordata (SD-6000), com precisão de ± 0,5 cm.s −1 , configurado
para leitura de dados em intervalos de coleta de 5 minutos. A distribuição das
estações de levantamento de dados de correntes encontra-se representada na
Figura (15).
4.2.2 Dados de elevação do nível do mar
As séries temporais de elevação do nível do mar para este estudo foram obtidas
nas estações de monitoramento de marés instaladas ao longo do Canal da
Passagem e mantidas pelo GEARH/UFES (Grupo de Estudos e Ações em
Recursos Hídricos da Universidade Federal do Espírito Santo). As estações
maregráficas consistem em linígrafos de pressão instalados, em tubos
tranqüilizadores, com precisão de 0,2% da profundidade medida. A distribuição
das estações encontra-se representada na Tabela 3 abaixo:
A Tabela 3 (abaixo apresenta as coordenadas (UTM, SAD-69) das estações
maregráficas ao longo do canal da Passagem).
Tabela 3. Coordenadas das estações maregráficas longo da extensão do canal da
Passagem:
Estação
Posição W
Posição E
Caieiras
7757322,93
360397,26
Ortiz
7759368,03
363826,47
Passagem
7755502,50
365256,51
Vale
7755968,30
370272,25
_____________________________________________________________________________65
4.2.3 Características do Canal da Passagem
O Canal da Passagem está inserido no sistema estuarino do entorno da Ilha de
Vitória tem aproximadamente 11 km de extensão, profundidade média em torno de
3 m e atravessa os bairros de Camburi, a UFES (Universidade Federal do Espírito
Santo).
Na sua extremidade norte, o canal atravessa a estação Ecológica Municipal Ilha
do Lameirão e encontra-se com a Baía de Vitória ao final de seu trecho. O canal
funciona como um divisor de águas, impedindo que as águas oriundas da Baía de
Vitória alcancem a Praia de Camburi e vice-versa.
As informações de rugosidades do fundo do Canal da Passagem foram obtidas da
literatura sobre rugosidade para o fundo de canais (ABBOT e BASCO (1989) e
CHOW, (1959)) e se encontra resumida na Tabela 4.
Tabela 4: Valores recomendados para a rugosidade equivalente de fundo ε (Fonte:ABBOT e
BASCO (1989).
Terreno ou leito de terra
Leito com transporte de sedimentos
0,0070m< ε
< 0,0500m
0,0500m< ε < 0,1500m
0,1500m< ε < 0,4000m
Leito com vegetação
Leito com obstáculos
Fundo com pedra ou rochoso
Fundo com alvenaria
Fundo com pedra lisa
Fundo de asfalto
Fundo com pedregulho
Fundo com pedras médias
Fundo com pedras
Fundo com rochas
0,0003m< ε < 0,0010m
0,0010m< ε < 0,0030m
0,0030m< ε < 0,0070m
0,0070m< ε < 0,0150m
0,0150m< ε < 0,0400m
0,0400m< ε < 0,1000m
0,1000m< ε < 0,2000m
Fundo com Concreto
Fundo de concreto liso
Fundo de concreto inacabado
Fundo de concreto antigo
0,1000m< ε < 0,0005m
0,0005m< ε < 0,0030m
0,0030m< ε < 0,0100m
_____________________________________________________________________________66
Para o mangue foi usado um valor próximo ao encontrado na literatura, variando o
coeficiente de Manning em uma faixa de 0,2 a 0,9 em função da área ocupada na
transversal pelos troncos das árvores do manguezal e da densidade. O modelo
numérico DIVAST considera uma rugosidade em seu domínio como sendo
homogênea. Com a implementação da rugosidade no modelo numérico DIVAST o
estudo possibilita a investigação do padrão de escoamento do Canal da
Passagem.
4.3
O Modelo numérico usado no estudo
Nas seguintes seções será feita uma descrição mais detalhada do modelo
computacional DIVAST.
4.3.1 Introdução
Neste item serão apresentadas algumas informações sobre o modelo numérico
DIVAST, as suas limitações de uso com as suas respectivas considerações de
fenômenos físicos e as condições de contorno usadas no modelo para a
simulação dos resultados numéricos.
4.3.2 Modelo numérico DIVAST
Para a simulação da hidrodinâmica do Canal da Passagem, foi utilizado o modelo
bidimensional (2DH) DIVAST desenvolvido por Falconer, (1976). O modelo simula
a distribuição bidimensional da corrente, das elevações da superfície da água e de
vários parâmetros da qualidade de água dentro do domínio modelado em função
do tempo, levando em consideração as características hidráulicas governadas
pela topografia do fundo, efeitos do vento de superfície e pelas condições de
contorno.
_____________________________________________________________________________67
As equações que governam o movimento do fluido são baseadas na conservação
da massa e do momentum. As equações hidrodinâmicas que descrevem o
escoamento
estão
na
forma
integrada
da
profundidade
das
equações
tridimensionais de Reynolds.
No modelo numérico a área de estudo é dividida em células quadradas. As
forçantes nos contornos abertos são especificadas e podem ser de elevação da
água ou de velocidade ou fluxo, obtidas a partir de observações de campo em
posições relevantes.
O método de diferenças finitas usado pelo DIVAST é baseado na técnica implícita
de direção alternada, que envolve a subdivisão de cada passo de tempo em dois
meios passos de tempo. Com as condições de contorno incluídas, as equações
algébricas resultantes, da aplicação do método das diferenças finitas para cada
meio passo de tempo, são solucionadas usando um método de eliminação de
Gauss e o método de substituição recursiva.
As regiões costeiras são tratadas como contornos fechados onde são impostas
condições de não-escorregamento. O alagamento e a drenagem de regiões
costeiras pela ação da maré também são incluídos no modelo (CHEN e
FALCONER, 1992). Os efeitos da fricção, ocasionado pelo vento sobre a
superfície d’água e da água com o leito, são considerados no modelo e são
parametrizados segundo a lei quadrática da velocidade.
O efeito de rotação da Terra é introduzido no modelo através da força de Coriolis
que surge do movimento do fluido em sistemas não-inerciais. A turbulência do
escoamento é tratada segundo a teoria de comprimento de mistura de Prandtl.
Assim, o modelo numérico DIVAST considera os efeitos da aceleração local,
aceleração advectiva, rotação da Terra (aceleração de Coriolis), gradiente de
pressão, tensões provocadas pelo vento, atrito com o fundo e tensões turbulentas.
_____________________________________________________________________________68
Antes de apresentar as equações governantes da hidrodinâmica utilizadas pelo
modelo DIVAST (FALCONER, 1976), considerou-se as seguintes hipóteses:
•
Fluido incompressível
•
Pressão Hidrostática
•
Onda Longa
A partir destas hipóteses e integrando a equação da continuidade e as equações
de Navier-Stokes na vertical se obtêm as equações de água rasas, as que podem
ser representadas da seguinte forma:
∂η ∂UH ∂VH
+
+
=0
∂t
∂x
∂y
(17 )
2
2
∂p + ∂βpU + ∂βpV = fq − gH ∂η + ρa C W W 2 + W 2 − gp p + q +
y
∂t
∂x
∂y
∂x ρ w x x
H 2C 2


∂2 p ∂2 p ∂2 p 
+
+
+ ε 2
2 ∂x∂y 
 ∂x 2
y
∂


∂q + ∂βqU + ∂βqV = − fp − gH ∂η + ρa C W W 2 + W 2 y
ρ w y x
∂t
∂x
∂y
∂y
 2
2
2 
gq p2 + q2
−
+ ε  ∂ q + 2 ∂ q + ∂ p 
2
H 2C 2
∂y2 ∂x∂y 
 ∂x
(18)
(19)
sendo: p = U . H e q = V . H são as vazões unitárias ou descargas por unidade de
(
)
3
largura nas direções x e y, respectivamente m s m ; U , V componentes da
velocidade média na vertical nas direções x e y respectivamente
(m s ) ;
g
2
aceleração devida a gravidade 9,806 m s ; H profundidade total da água
(H = h + η ) ; η
elevação da superfície da água acima do nível médio da superfície
da água em repouso, tomado como referência; h profundidade da água abaixo do
_____________________________________________________________________________69
nível médio da água;
ρ a densidade do ar ( ≅ 1.292 kg m 3 ); ρ densidade do
3
1
fluido kg m ); C coeficiente de rugosidade de Chezy ( m
2
s ); C w coeficiente de
resistência do ar/fluido; x, y coordenadas cartesianas (m ) ; f parâmetro de Coriolis
devido à rotação da terra,
f = 2Ωsenφ ( Ω = velocidade de rotação angular da
W e Wy
terra e φ = ângulo geográfico da latitude, Ω = 7,292x10-5 radianos/s; x
as
componentes da tensão de cisalhamento na superfície provocada pelo vento nas
direções x, y respectivamente; ρ a densidade do fluido; β fator de correção do
momentum para um perfil de velocidade vertical não-uniforme, varia entre 1,016 e
2
1,20; e ε a viscosidade turbulenta média na vertical m s .
O esquema de turbulência utilizado no modelo DIVAST considera a hipótese de
Boussinesq e a teoria do comprimento de mistura de Prandtl. Assim, o termo ε ,
que representa a viscosidade turbulenta média na vertical poder ser calculado pela
relação:
ε = Ce
H
C
(
g U 2 +V 2
)
(20)
sendo: Ce o coeficiente de viscosidade turbulenta, com valor aproximado de 1 para
escoamentos em regiões costeiras e C o coeficiente de Chézy (Fischer, 1979).
4.3.3 Método de solução das equações matemáticas
O esquema de diferenças finitas utilizado pelo DIVAST é o ADI (Alternating
Direction Implicit), que é um esquema semi-implicito. A solução das equações é
obtida dividindo-se cada passo de tempo em dois meios passos de tempo e
considerando que no primeiro meio passo de tempo a elevação da água, a
componente U da velocidade são solucionados implicitamente na direção x , e as
outras variáveis são representadas explicitamente; no segundo meio passo de
_____________________________________________________________________________70
tempo a elevação da água, a componente V da velocidade são solucionadas
implicitamente na direção
y , e as outras variáveis são representadas
explicitamente.
Este esquema tem precisão de segunda ordem tanto no tempo como no espaço,
não tendo nenhuma restrição quanto à estabilidade, por ser implícito centrado no
espaço. Entretanto, Falconer (1976) recomenda que se restrinja o passo de tempo
de forma que o número de Courant υ (equação 21) seja menor que oito.
υ=
∆t
gh
∆x
(21)
sendo: ∆t o passo de tempo utilizado, ∆x o tamanho da célula, g a aceleração
devido à gravidade e h a profundidade média da região em estudo.
Em cada elemento da malha computacional são determinadas as elevações do
nível d’água e as velocidades nas duas direções, em função das condições de
contorno. As elevações η são calculadas no centro das células, enquanto que as
velocidades são calculadas no centro dos lados de cada célula.
4.3.4 Teste de malhas
Neste item será apresentada a malha escolhida para representar o domínio de
estudo.
4.3.4.1 Representação do domínio físico
O teste de malha consiste na implantação de diversas malhas sobre a região de
estudo, com mais ou menos elementos, para representar a geometria da região de
estudo, na procura de uma malha que garanta a consistência da solução do
problema físico em questão.
_____________________________________________________________________________71
O teste de malha é feito para determinar principalmente o tamanho da malha a ser
usada para representar o domínio de interesse para o estudo a ser realizado.
Figura 16.-Parte do domínio da malha uniforme de 15x15 metros de lados na extremidade norte do
canal, água em azul, mangue em verde e terra em marrom.
Segundo Stelling (1986) a acurácia da propagação da velocidade da onda de
maré é influenciada por muitos parâmetros: contorno computacional, passo de
tempo, comprimento da malha, batimetria, geometria, fricção do fundo,
viscosidade etc. O domínio físico foi representado por uma grade ou malha de
células quadradas. Cada célula foi identificada por um número (0,1,2) para
_____________________________________________________________________________72
identificar as que se encontravam em terra, na água e no mangue (Figuras 16 e
17).
Figura 17.- Parte do domínio da malha uniforme de 15x15m utilizada extremidade sul, em azul as
células de água, mangue em verde e terra em marrom.
Após ter gerado a tabela de terra (0), mangue (2) e água (1) para o domínio em
estudo, foi estabelecido um mapa de rugosidades para diferenciar as rugosidades
da região de mangue das rugosidades da região sem vegetação. A região de
estudo foi representada através de 3 malhas uniformes com células quadradas de
10m, 12,5m e de 15m de comprimento.
_____________________________________________________________________________73
O tempo de processamento para simular 75 h foi de aproximadamente 36 horas
para a malha de 10 metros de lado em um micro computador, processador AMD
Athlon 1 GHz e 256 MB de RAM. A necessidade de se obter os resultados em um
tempo de processamento menor levou a considerar a malha de 15m de lado.
Com a necessidade de escolher a melhor malha de modo a permitir um menor
tempo de processamento e uma melhor reprodução da geometria da região do
Canal da Passagem, que é estreito e sinuoso, com um complexo gradiente de
batimetria ao longo da região de estudo, para atender as exigências de
investigação e melhor representar o domínio foi feito um teste de malha para a
escolha da malha a ser utilizada; mais detalhes serão apresentados no capitulo de
resultados.
O eixo x da malha encontra-se 160o em relação ao norte e foi definido através da
condição que melhor alinhava a condição de contorno a batimetria da fronteira de
mar aberto. Detalhes da malha uniforme escolhida, com 15x15m de lados, são
apresentados nas Figuras (16) e (17) para as extremidades norte e sul,
respectivamente, para a região do Canal da Passagem.
4.4
Implementação do modelo hidrodinâmico
Os modelos numéricos hidrodinâmicos são ferramentas capazes de reproduzir os
padrões de escoamento em regiões costeiras e estuarinas, auxiliando em estudos
de circulação e transporte de poluentes. Entretanto, para que essas ferramentas
representem de forma satisfatória as particularidades da região e o fenômeno a
ser estudado, devem ser adquiridos e/ou definidos um conjunto de informações.
Essas informações incluem a definição de dados geométricos da área a ser
modelada, amplitude de maré, velocidades, propriedades físicas do fluido,
batimetria da região, rugosidade do fundo e rugosidade na planície alagada com
vegetação. A seguir, serão descritas as etapas realizadas para a implementação
do modelo DIVAST na região de estudo.
_____________________________________________________________________________74
Na modelagem de corpos d’água existem dois tipos de contorno que representam
os limites do domínio a ser modelado, sendo necessário informar ao modelo como
estes limites se comportam ao longo do tempo.
Contorno fechado ou terrestre é aquele onde o domínio computacional faz
fronteira com a terra ou estruturas sólidas e, portanto, define as margens do corpo
d’água. Esses limites são, em geral, representados como impermeáveis, não
havendo fluxo de água através dessa fronteira. Desta forma, a componente normal
e a componente tangencial (condição de não deslizamento) da velocidade na
fronteira de terra são assumidas como sendo nulas.
Fronteiras abertas são aquelas que representam um limite do domínio do modelo,
mas não um limite físico do corpo d’água. Ao contrário do contorno fechado, ao
longo da fronteira aberta existe fluxo de água e/ou solutos. Desta forma, é
necessário especificar como as condições hidrodinâmicas (elevação do nível
d’água, velocidade normal à fronteira, vazão) e/ou as concentrações de soluto
variam ao longo do tempo.
Regiões onde o limite do corpo d’água varia com o tempo, como é o caso de
praias com gradientes suaves e extensas planícies de maré alagáveis de acordo
com as oscilações periódicas de maré, podem ser representadas no modelo
computacional através de rotinas que permitam a variação desses limites entre a
situação seca e a molhada. Entretanto, a correta representação dessas regiões
requer um bom conhecimento da área e a disponibilidade de dados consistentes
sobre a topografia do relevo a ser representado.
Na abordagem representada neste estudo foram consideradas as áreas alagáveis
referentes a planícies de maré e manguezais, sendo, portanto, utilizada como
condição de contorno terrestre apenas a impermeabilidade da fronteira na
extremidade norte do Canal da Passagem com a fronteira da baía de Vitória e ao
sul fronteira com a baía do Espírito Santo. Há um decréscimo na elevação das
_____________________________________________________________________________75
condições de contorno entre a estação da vale (Figura 14) e caeiras (Figura 15),
sendo a condição de contorno norte de maior elevação do que a condição de
contorno sul. Na simulação de resultados do modelo foi utilizada a condição de
contorno de maré de quadratura senoidal, conforme apresentado na Figura 18.
Condições de Contorno
Elevação na estação da Vale
Elecação na estação Caieiras
1.500
1.000
0.500
Elevação
em
(metros)
0.000
-0.500
-1.000
-1.500
0
20
40
Tempo (horas)
60
80
Figura 18.-Condições de contorno da estação vale e estação Caieiras.
Neste estudo, os limites domínio do fluido a ser modelado são representados por
duas condições de contorno abertas na extremidade sul do canal e extremidade
norte do canal. Na Figura (19), as condições de contorno de (A) foram utilizados
dados de elevação do nível d’água fornecidos pela série temporal obtida com o
marégrafo instalado na estação Caeiras. As condições de contorno de (B) do
domínio computacional, forma os dados de elevações do nível d’água obtidos da
série temporal registrada pelo marégrafo na estação maregráfica do canal da
Passagem.
_____________________________________________________________________________76
Figura 19.-Condições de contorno, norte e sul do Canal da Passagem.
4.4.1 Condições iniciais
Em problemas de evolução, como o do presente estudo, é necessário fornecer ao
modelo as condições iniciais das variáveis físicas em todo o domínio fluido. De
forma a reduzir a instabilidade numérica do modelo, as simulações realizadas
neste estudo foram iniciadas a partir de momentos de preamar ou baixamar,
assumindo-se um nível d’água uniforme ao longo de todo o domínio fluido e
considerando nulas as componentes de velocidade em todo o domínio.
_____________________________________________________________________________77
4.4.2 Calibração e validação do modelo hidrodinâmico
A calibração do modelo computacional consiste em ajustar os parâmetros do
modelo, obtidos empiricamente para a equação da quantidade de movimento, de
forma a se obter uma melhor resposta do modelo quando comparada a uma série
de dados coletados em campo para este fim.
A validação do modelo é realizada através da comparação dos dados fornecidos
pelo modelo com outro conjunto de dados coletados em campo, independentes
daqueles usados na calibração, que serão reproduzidos através de simulações
computacionais, sem que os parâmetros do modelo sejam modificados.
De forma a testar a capacidade do modelo na reprodução da circulação local, os
dados de elevação, direção e velocidade de correntes calculados pelo modelo
foram comparados aos dados obtidos em campo para estações localizadas ao
longo do estuário.
Outro parâmetro a ser fornecido ao modelo numérico é o comprimento da
rugosidade equivalente do fundo, utilizado no modelo DIVAST para o cálculo do
coeficiente de Chézy e que representa a resistência ao escoamento causada pelo
atrito com o fundo. A magnitude deste efeito varia de acordo com os diferentes
tipos de sedimento e feições de fundo existentes na região a ser modelada
(ANEXO D). Os dados de rugosidade do mangue e fundo do Canal da Passagem
foram implementados no modelo computacional DIVAST. A rugosidade do fundo
do canal será representada no modelo segundo Paiva et al (2000), que realizaram
um estudo sedimentológico do material de fundo do sistema estuarino da região
Metropolitana de Vitória, ES.
O modelo DIVAST utiliza um valor constante para este parâmetro ao longo de todo
o domínio modelado. No ajuste dos parâmetros de velocidade fornecido pelo
modelo numérico foram utilizados os dados de rugosidade, onde foi comparado as
rugosidades de k s = 1m, 2m, 3m, 4m, 5m, 6m, 7 m, 8m, 9m . A implementação da
_____________________________________________________________________________78
rugosidade teve como referencia a (Tabela 4): Valores recomendados para a
rugosidade equivalente de fundo (ABBOT e BASCO 1989 e CHOW, 1959), e da
literatura sobre rugosidade para o fundo de canais; para o mangue foi usada uma
faixa de valores de Manning n
entre 0,2 e 0,6 (WOLANSKI, 1980), onde
procurou-se adequar aos valores próximo dos encontrados na literatura (Tabela
4). A Tabela 5 mostra o coeficiente de C D (que é a força de arrasto) utilizado em
modelos computacionais encontrados em literaturas:
Tabela 5: Coeficiente de arrasto encontrado na literatura
Autor e ano de
publicação
(coeficiente de arrasto) utilizado
Consideraram-se três situações para o coeficiente de arrasto:
1-Coeficiente de arrasto utilizado foi de CD=4
3
NAOT ET AL.(1.996)
2- Coeficiente de arrasto mínimo: CD= mínimo de 0.0976+[(10 R2
3
2)/20.5] ou CD=(10 /R)
0,25
para R ≤10
3- Relacionou o coeficiente de arrasto aos seguintes numero de
3
Reynolds: 1.15 para 10 <R<4x10
STRUE et al (2003)
Mazda et al (1995)
Mazda et al (1999)
Mazda (1997)
Mazda e wolanski
1980
Wu et al (2001)
Mazda et al (2002)
K.AKATSUJI (2000)
2
Neste estudo foi considerado em um modelo experimental com árvores
fictícias com um coeficiente de CD= 1
Mazda et al considerou para canais de maré uma rugosidade de 0,0026
e em região alagada com vegetação de mangue um CD=4
Em 1999 Mazda et al concluiu em seus estudos que para manguezais
alagados CD=4 e sem mangue um CD=0.3
O coeficiente da força de arrasto decresce com o aumento de valores
4
de Re para um valor de Re (<10 ) e converge para 0.4 para um valor de
4
Re > 5x10 .
Em 1980 em outro estudo estimou o coeficiente de rugosidade de
Manning para 0.2-0.4 (SI) dentro de manguezais alagados e em coral
creek entre 0.2 – 0.7 dentro de manguezais alagados.
Wu et al considerou o coeficiente de arrasto CD=1.2 para um cilindro
circular baseado no coeficiente em um cilindro.
Em estudo mais recente Mazda et al usou o valor de 0,0026 que é usual
em regiões costeiras estuarinas onde variou CD e uma faixa de 1 a 4.
Relacionou o coeficiente de arrasto de CD=4 ao coeficiente de Manning
de 0,4, que é uma ordem de valor muito maior do que o usado em rios.
No próximo capitulo cinco, serão mostrados os resultados obtidos que vão
fornecer a base para a discussão e análise dos resultados.
_____________________________________________________________________________79
Capitulo 5
RESULTADOS E DISCUSSÕES
_____________________________________________________________________________80
5. RESULTADOS
Neste capítulo serão apresentados e discutidos os resultados sobre o padrão de
escoamento no Canal da Passagem. A batimetria e os pontos de monitoramento
numérico serão apresentados na seção 5.1. Os resultados do teste de malhas e
da escolha da malha serão abordados na seção 5.2. As características do padrão
de escoamento serão apresentadas na seção 5.3, e os resultados da influência da
região de manguezal no padrão de escoamento serão abordados na seção 5.4.
5.1
Batimetria da região de estudo
O Canal da Passagem é um canal sinuoso de aproximadamente 11 km de
comprimento que conecta a Baía do Espírito Santo, pela extremidade sul, com a
Baía de Vitória, pela extremidade norte. A batimetria do canal da passagem é
mostrada na Figura (20). Esta batimetria é muito complexa, apresentando
depressões (buracos) que atingem profundidades de 7 m até 11m, por exemplo,
nas proximidades dos pontos 3, 144 e 177 das Figuras (21 e 22).
Para referenciar os resultados obtidos pelo modelo numérico, foram distribuídos
pontos ao longo do Canal da Passagem, os quais estão representados nas
Figuras (21 e 22). Com relação a estas figuras, a Ponte da Passagem se encontra
entre os pontos 143 e 144, a estação Maria Ortiz se localiza no ponto 50.
No Canal da Passagem existe um estreitamento (APÊNDICE Y), conhecido como
Ponte da Passagem, que divide o canal em duas regiões, a região Sul do canal e
a Região Norte do canal, chamadas respectivamente de canal sul e canal norte. O
estreitamento ocorre na proximidade do ponto 144 da Figura (22).
O canal sul tem um comprimento de 3 km e apresenta profundidades que variam
de 1m até 11 metros. Esta porção do canal, que não apresenta região de
manguezal, é canalizada ao longo de seu comprimento.
_____________________________________________________________________________81
Batimetria típica da região de estudo
Legenda com valores de
profundidade
em metros;
0.5
-0.2
-50
-0.9
-1.6
-100
-2.3
-3
-3.7
-150
-4.4
-5.1
-200
-5.8
-6.5
-7.2
-250
-7.9
-8.6
-300
-9.3
-10
-350
-400
-450
Figura 20.- Batimetria
região de150
estudo
50 típica da
100
200
250
O escoamento no canal da Passagem ocorre em duas condições típicas
diferentes. Na extremidade sul o escoamento está confinado (APÊNDICE T),
sujeito ao atrito das paredes e fundo do canal. E na extremidade norte o
escoamento encontra os efeitos da planície de mangue, estando sujeito ao efeito
_____________________________________________________________________________82
de arrasto provocado pela vegetação, ao efeito da rugosidade da planície e ao
efeito da zona de convergência, chamada Tombo da Maré. Em outros resultados
observou-se que o estreitamento da Ponte da Passagem (APÊNDICE Y) influencia
na maré vazante e enchente, ocasionando um atraso tanto para encher quanto
para esvaziar o Canal da Passagem.
O canal norte tem um comprimento de 8 km e apresenta profundidades que
variam de 2 a 7 metros. Nesta porção do canal se encontra a maior concentração
de manguezal, a qual é periodicamente inundada durante a preamar das marés de
sizígia.
24
23
22
21
20
19
18
17
16
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11 1 2
15
14
13
25
26
2 7 28
29 30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
62
63
61
60
56
57
58
59
Figura 21.-Pontos de monitoramento da extremidade norte do canal da passagem, com maior área de
vegetação de manguezal.
Na maré de quadratura a água restringe-se, na maior parte do ciclo de maré,
apenas ao canal principal molhando pequena parte da planície de mangue se
comparada à maré de sizígia. A região de manguezal da porção sul do canal
norte, mostrada na Figura (22), se restringe a uma franja de manguezal nas
laterais do canal.
_____________________________________________________________________________83
64
65
66
67
76
79
78
68
69
70
71
72
73
74
75
77
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
1 00
1 01
1 02
10 3
1 04
1 05
1 06
10 7
1 08
10 9
1 10
1 11
11 2
11 3
1 14
12 5
12 3 12 4
11 5
1 26
116
1 21 1 22
1 17 11 8 11 9 12 0
12 7
1 28
12 9
1 30
13 1
13 2
1 33
1 34
13 5
13 613 7
1 38
1 39
140
14 1
14 2
1 43
144
14 5
1 46
14 7
14 8
1 49
1 50
15 1
1 52
1 53
1 54
1 55
15 6 15 7
15 8 1 59
1 60 16 1
16 2 16 3
1 64
1 65
1 66
1 67
1 68
16 9
Figura 22.-Pontos de monitoramento da extremidade sul do Canal da Passagem
1 7717 8
1 76
17 5
1 74
17 0
17 1
1 73
17 2
_____________________________________________________________________________84
5.2
Resultados do teste de Malha
O teste da malha consistiu na comparação da elevação da onda de maré e
velocidade nos pontos de monitoramento ao longo da extensão do canal para as
três malhas. Como mencionado no capitulo 4, foi usada uma maré de quadratura
senoidal como condição de contorno em ambas as extremidades, de 40 cm de
amplitude.
Os resultados das velocidades para as três malhas implantadas para a região de
estudo são mostrados na Figura (23), para a estação de monitoramento Maria
Ortiz, no ponto 52 da Figura (21).
Maria Ortiz
Magnitude da Velocidade-Numérica 12,5 x 12,5
Direção da Velocidade-Numérica 12,5 x 12,5
Magnitude da Velocidade-Numérica 15 x 15
Direção da Velocidade-Numérica 15 x 15
Magnitude da Velocidade-Numérica 20 x 20
Direção da Velocidade-Numérica 20 x 20
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
-20
-40
-60
-80
-100
-120
-140
-160
-180
0.16
0.14
0.12
0.10
φ
V 0.08
0.06
0.04
0.02
0.00
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
TEMPO em HORAS
Figura 23.-Resultado numérico de velocidade na estação Maria Ortiz, magnitude e direção da
velocidade, para as três malhas usadas no teste de malha.
_____________________________________________________________________________85
Com relação à magnitude e direção da velocidade, observa-se uma diferença
apreciável entre os resultados da malha 3 (de 20,0 m de espaçamento) quando
comparados com as da malha 2 (de 15,0 m de espaçamento) e malha 1 (de 12,5
m de espaçamento). Nesta mesma figura, é observado que a magnitude e direção
da malha 1 e da malha 2 têm comportamentos parecidos.
Os resultado das diferenças entre as magnitudes e direções de velocidades para
as
três malhas
consideradas
são mostrados nas
Figuras (24
e 25),
respectivamente:
Diferença entre as magnitudes de velocidade
Diferença entre as magnitudes de velocidade: Malha 2 - Malha 1
0.10
0.08
0.06
0.04
V
(m/s)
0.02
0.00
-0.02
-0.04
-0.06
-0.08
24
25
26
27
28
29
30
31
Tempo (horas)
32
33
34
35
36
Figura 24.- Diferenças entre as magnitudes de velocidade das três malhas.
As diferenças de direção para as malhas, calculadas para o período mostrado nas
Figuras (21 e 22), são mostradas na Tabela 6.
_____________________________________________________________________________86
Como observado na tabela 6, os menores valores do parâmetro raíz quadrática
média das diferenças para a magnitude e direção da velocidade se encontram
para as malhas 1 e 2.
Erro relativo
Diferença entre a direções das Velocidades: Malha 2 - Malha 1
Diferença entre as direções das Velocidades: Malha 3 - Malha 1
Diferença entre as direções das Velocidades: Malha 3 - Malha 2
φ
(Αngulo em graus)
400
350
300
250
200
150
100
50
0
-50
-100
-150
-200
-250
-300
-350
-400
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
Tempo em Horas
Figura 25.-Diferenças entre as direções de velocidade das três malhas.
Tabela 6: Raiz Quadrática Média das diferenças das velocidades entre as malhas
Diferenças
Raiz Quadrática Média das
diferenças das Velocidades
Malha 2 – Malha 1
0,0068 m/s
Malha 3 – Malha 1
0,0515 m/s
Malha 3 – Malha 2
0,0553 m/s
35
36
_____________________________________________________________________________87
Levando em consideração que o tempo de processamento da malha 2 é menor
que o da malha 1, nos leva a escolher a malha 2 como sendo a malha a ser usada
para as diferentes simulações apresentadas abaixo.
Esta conclusão da escolha da malha 2 é reforçada quando comparamos os
resultados da elevação da maré nos pontos mostrados nas Figuras (21 e 22), para
as três malhas usadas. Estes resultados estão mostrados na Figura 26.
ELEVAÇÃO AO
LONGO
DO CANAL
t = 75 h
0.5
0.4
0.3
t = 74 h
0.2
0.1
η
t = 73 h
0.0
t = 72 h
-0.1
-0.2
t = 71 h
-0.3
-0.4
t = 70 h
-0.5
0
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180
t = 69 h
Pontos de monitoramento
Figura 26.-Elevação da maré ao longo do canal da passagem para as três malhas usadas durante o teste
de malha. Linha contínua – Malha 1, Tracejado e circulo – Malha 2, tracejado e triangulo – Malha 3.
Como observado na Figura (26), o comportamento da superfície da água é similar
para os resultados da malha 1 e 2. O que reafirma a escolha da malha 2.
5.3
Características do padrão de escoamento.
Registros experimentais para a elevação da maré foram usados como condição de
contorno, nas extremidades norte e sul do canal da passagem. Os resultados
apresentados a seguir são os obtidos com uma malha uniforme de 15m x 15 m de
_____________________________________________________________________________88
lado e rugosidade de manguezal igual a k s = 1m . O tempo de simulação de 75
horas, correspondente a aproximadamente seis ciclos de maré, demora em torno
de 4:40 horas, em um micro computador, processador AMD Athlon 1 GHz e 256
MB de RAM.
Uma comparação entre os valores experimentais da magnitude da velocidade com
os encontrados pelo modelo numérico é mostrada na Figura (27) para a estação
Maria Ortiz.
Estação maregráfica de Maria Ortiz
Velocidade-Numérica
Velocidade-Experimental
Elevação-Numérica
0.9
1.0
0.8
0.8
0.6
0.7
0.4
0.6
0.2
V
0.5
0.0 ???????
(m/s)
0.4
-0.2?(metros)
-0.4
0.3
-0.6
0.2
-0.8
0.1
-1.0
0.0
-1.2
0
20
40
60
Tempo (horas)
Figura 27.-Resultados de Velocidade e elevação para a estação Maria Ortiz. Rugosidade
k s = 1m .
Apesar de não ter conseguido reproduzir os picos de vazante, os resultados
numéricos conseguem acompanhar os períodos de vazante e de enchente nesta
região de manguezal influenciada pelo alagamento e secagem da planície. Dos
dados experimentais na estação Maria Ortiz, é observado que a vazante é mais
rápida e intensa que a enchente. O período de vazante é de 4,5 horas enquanto
que a enchente é de 7,8 horas, ver Figura (27). As velocidades de vazante são em
média de 80 cm/s e as velocidade de enchente são em média de 35 cm/s. No
gráfico da figura 27, na representação dos resultados de velocidade da vazante de
maré, do modelo numérico e do experimental, observa-se que os pontos de
_____________________________________________________________________________89
velocidade na vazante oscilam de maneira oposta entre si em cada instante de
tempo considerado.
Os resultados numéricos conseguiram, em média, reproduzir 65% dos valores
experimentais dos picos de velocidade durante a vazante. Embora os resultados
de velocidade durante a enchente sejam da mesma ordem de grandeza o
comportamento dos resultados numéricos neste período de tempo não
acompanham o comportamento do registro experimental, sendo a velocidade
numérica máxima de enchente defasada com relação à experimental, como
observado na Figura (28).
Estação de Maria Ortiz
Velocidade-Numérica
Direção-Numérica
0.9
175
150
125
100
75
50
25
0
-25
-50
-75
-100
-125
-150
-175
0.8
0.7
0.6
V 0.5
(m/s) 0.4
φ
0.3
0.2
0.1
0.0
0
5
10
15
20
25
30 35 40 45
Tempo (horas)
50
55
60
65
70
75
Figura 28.-Resultados de magnitude e direção de velocidade na estação Maria Ortiz. Rugosidade
k s = 1m
.
A influência da região de manguezal e da ponte da passagem na dinâmica do
Canal da Passagem pode ser observada na Figura (29). Nesta figura é mostrada a
_____________________________________________________________________________90
elevação da superfície da água para os pontos mostrados nas Figuras (21 e 22),
considerando-se uma situação de enchente de maré, ver elevação da Figura (29).
No canal norte, pontos de 1 até 143 nas Figuras (21 e 22), pode ressaltar-se duas
características. A maior região de manguezal, que se encontra entre os pontos 1 a
80, apresenta uma elevação de maré horizontal. A outra região do canal norte,
entre os pontos 81 a 143, apresenta uma estreita franja de vegetação de
manguezal em ambas as margens do canal. A elevação da maré nestes pontos
apresenta uma baixa declividade, quase que horizontal.
Na Ponte da passagem, entre os pontos 143 e 144, pode ser observado um
grande gradiente de pressão, como resultado do represamento da água da Baía
do Espírito Santo durante a enchente de maré.
1.0
ELEVAÇÃO AO
LONGO
DO CANAL
t = 75 h
t = 74 h
t = 73 h
t = 72 h
t = 71 h
t = 70 h
t = 69 h
t = 68 h
t = 67 h
t = 66 h
t = 65 h
t = 64 h
t = 63 h
0.8
0.6
0.4
η
0.2
0.0
(m) -0.2
-0.4
-0.6
-0.8
-1.0
0
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180
Pontos de monitoramento
Figura 29.-Elevação da maré ao longo do canal da passagem, para uma rugosidade de
k s = 9m .
5.3.1 Tombo da maré
Na Figura (30) são mostradas as elevações da superfície da água usadas nas
condições de contorno, correspondente ao terceiro ciclo de maré. Os resultados
da simulações apresentados correspondem a uma rugosidade de k s = 9m .
_____________________________________________________________________________91
Resultados para o padrão de escoamento no canal norte são mostrados para o
tempo de simulação de 26 horas, correspondente à condição de maré vazante
mostrado na Figura (31), para o tempo de 35 horas, que corresponde a uma
condição de maré enchente, mostrado na Figura (30).
Elevações :
Extremidade norte do Canal da Passagem
Extremidade sul do Canal da Passagem
1.000
0.600
η
(metros)
0.200
-0.200
-0.600
-1.000
24
25
26
27
28
29
30 31 32 33
Tempo em Horas
34
35
36
37
38
Figura 30.-Registro de elevação da superfície da água, nas extremidades norte e sul do Canal da
Passagem, correspondente ao terceiro ciclo de maré.
Como observado na Figura (31), há uma região de velocidade quase nula, que é
mostrada no detalhe da mesma figura, seguida por uma divergência de
velocidades. Na Figura (33), para o mesmo instante de tempo de 26 horas, pode
ser observado o comportamento horizontal da elevação da maré na região de
velocidade zero. Combinando estes resultados e lembrando que a interação entre
duas ondas progressivas que se propagam em direções opostas produz uma onda
estacionária onde a velocidade é nula abaixo da crista da onda, a conclusão é que
esta região de baixa velocidade é o resultado da presença de uma onda
estacionária, conhecida como “tombo da maré” (Rigo et al, 1993).
_____________________________________________________________________________92
7760918
7760618
7760318
7760018
7759718
7759418
7759118
363312.134
363612.134
363912.134
364212.134
Figura 31.-Campo de velocidades na área de abrangência da zona de convergência, chamada tombo de
maré, durante a vazante. Tempo de simulação de 26 horas e rugosidade k S = 9m .
_____________________________________________________________________________93
7760914.6
7760514.6
7760114.6
7759714.6
7759314.6
7758914.6
363001.2647
363401.2647
363801.2647
364201.2647
Figura 32.-Campo de velocidades na área de abrangência da zona de convergência, chamada tombo de
maré, durante a enchente. Tempo de simulação de 35 horas e rugosidade k s = 9m .
_____________________________________________________________________________94
O “tombo da maré” também está presente durante a enchente da maré. No
detalhe da Figura (32), pode ser observada uma região de baixa velocidade e uma
convergência de velocidades. Já na (Figura 33), para o tempo de 35 horas e para
a mesma região, se observa um perfil horizontal da elevação da superfície da
água.
η
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
-0.1
-0.2
-0.3
-0.4
-0.5
-0.6
-0.7
-0.8
-0.9
ELEVAÇÃO AO
LONGO
DO CANAL
t = 24 h
t = 25 h
t = 26 h
t = 27 h
t = 28 h
t = 29 h
t = 30 h
0
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180
Pontos de Monitoramento
Figura 33.-Elevação da maré ao longo do Canal da Passagem durante a vazante da maré. Rugosidade
de k s = 9m .
η
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
-0.1
-0.2
-0.3
-0.4
-0.5
-0.6
-0.7
-0.8
-0.9
ELEVAÇÃO AO
LONGO
DO CANAL
t = 37 h
t = 36 h
t = 35 h
t = 34 h
t = 33 h
t = 32 h
t = 31 h
0
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180
Figura 34.-Elevação da maré ao longo do Canal da Passagem durante a enchente da maré. Rugosidade
k s = 9m .
_____________________________________________________________________________95
É interessante mencionar que durante a maré de vazante o tombo da maré se
desloca em direção à Ponte da Passagem. Enquanto que durante a maré de
enchente o tombo da maré se desloca em direção à extremidade norte do canal,
em momento nenhum foi encontrado que o tombo da maré se deslocou para o
canal sul.
Observando o perfil da elevação da superfície da água para o tempo de 25 horas
da Figura (33), pode-se concluir que em alguns intervalos de tempo a água do
Canal da Passagem corre em uma única direção, na direção da Baía do Espírito
Santo.
Interessante, ainda, é que se observa uma onda propagando-se do ponto 1 até o
ponto 76 durante a vazante, que pode ser identificado como um ponto divisor da
área de manguezal, de maior área de manguezal para uma franja de manguezal
nas margens do canal. Observa-se que em torno deste ponto divisor acontecem
os segundos maiores gradientes de pressão do canal norte.
5.3.2 Velocidades no estreitamento do Canal da Passagem
Os resultados numéricos mostram a presença de um jato abaixo da Ponte da
Passagem, entre os pontos 143 e 144 da Figura (21). A presença deste jato foi
encontrada tanto para a vazante da maré como para a enchente e pode ser
visualizado nas Figuras (35 e 36), pelos grandes gradientes de pressão que se
desenvolvem entre os pontos 143 e 144. Do ponto de vista ambiental, o
estreitamento do Canal da Passagem adiciona uma resistência ao escoamento,
provocando maior turbulência ao escoamento e afetando o tempo de residência
das águas do canal.
_____________________________________________________________________________96
7757200
7757000
7756800
7756600
7756400
7756200
7756000
363400
363600
363800
364000
364200
Figura 35.-Velocidade no estreitamento da Ponte da Passagem (maré vazante em uma sizígia no tempo
de simulação de 26 horas)
_____________________________________________________________________________97
7757400
7757200
7757000
7756800
7756600
7756400
7756200
7756000
362800
363000
363200
363400
363600
363800
364000
364200
Figura 36.-Velocidade no estreitamento da Ponte da Passagem (enchente de maré em uma sizígia no
tempo de simulação de 35 horas).
O padrão de escoamento nas proximidades da Ponte de Passagem para uma
situação de vazante pode ser observado na Figura (35) e para uma situação de
enchente na Figura (36). No (APÊNDICE I até V) é obtido o padrão de
_____________________________________________________________________________98
escoamento considerando que o valor do coeficiente de Mannig varia de (0,3 a
0,9) para o mangue comparado à rugosidade de 0,027 (1 metro).
Os resultados mostrados na (Figura 37), mostra que com o aumento da
rugosidade também aumenta a carga ao longo do Canal da Passagem e inverte o
gradiente de pressão na extremidade sul do canal norte. Na abscissa observam-se
os pontos de monitoramento ao longo do Canal da Passagem e na ordenada os
níveis de elevação da superfície da água ao longo do tempo.
η
(metros)
ELEVAÇÃO AO
LONGO
DO CANAL
t = 36 h com Manning n=0,2
t = 36 h com Mannig n =0,9
t = 35 h com Manning n=0,2
t = 34 h h com Mannig n =0,2
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
-0.1
-0.2
-0.3
-0.4
-0.5
-0.6
-0.7
-0.8
-0.9
0
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180
Figura 37.-A Influência da rugosidade na elevação da superfície da água ao longo da extensão do canal
durante a enchente da maré é verificada pela seguintes legendas: em linha contínua com rugosidade de
Manning de n = 0,2 correspondendo ao k s = 9,3 metros e em linha tracejada com rugosidade de
Manning de n = 0,9 correspondendo a um k s = 11,5 metros (Tabela 5).
_____________________________________________________________________________99
Na (Figura 37), observa-se, que ao final da vazante e começo da enchente de
maré a elevação nos tempos de 31 e 32 horas considerada (Figura 30) aumentou
o nível de maré com a variação da rugosidade do mangue, o aumento foi em torno
de 0.3 acima da elevação com rugosidade de Manning de 0,2 para o mangue. De
forma geral, os gradientes de pressão que acontecem no estreitamento (Ponte da
Passagem) são maiores durante a vazante do que aqueles que se desenvolvem
durante a enchente. Ao longo da extensão do Canal da Passagem principalmente
nos estreitamentos, há um aumento de velocidade devido à continuidade, que
expressa, na hidrodinâmica, o princípio de conservação da massa, Q = A1 .V1 , onde
Q = é chamada vazão e representa o volume de fluido que escoa através de uma
seção reta por unidade de tempo, A1 = área da seção do canal por onde a água
escoa e V1 velocidade do escoamento, pela fórmula observa-se que a medida que
a área de escoamento é reduzida, há um aumento de velocidade do escoamento,
principalmente na Ponte da Passagem. No (APÊNDICE A até H) Manning varia de
0,3 a 0,9 comparada à rugosidade de 0,027 (1 metro), a comparação é verificada
para a elevação da superfície livre da água ao longo da extensão do Canal da
Passagem.
5.4
Influência da vegetação de manguezal no padrão de escoamento
A influência da área de manguezal no padrão de escoamento foi verificada
usando-se valores de k s variando de 2 a 9 metros, o que corresponde a valores
do coeficiente de rugosidade de Manning n variando entre 0,2 e 0,6 (encontrados
na literatura) (Wolanski et al 1980).
5.4.1 Influência da rugosidade na velocidade
Os resultados da influência da rugosidade nas velocidades são mostrados na
Figura (38), para a estação de monitoramento Maria Ortiz. Observa-se nesta figura
_____________________________________________________________________________100
um aumento dos valores da velocidade durante a vazante e uma diminuição dos
valores de velocidade durante a enchente.
A influência da rugosidade da região de manguezal no padrão de escoamento no
canal norte é mostrada na Figura (39) para os valores de ks iguais a 9 metros
(setas azuis) e ks iguais a 11,5 m (setas vermelhas). Nos APÊNDICES F a S são
mostrados os resultados para valores de rugosidades de ks = 10 a 11,5 metros.
Maria Ortiz
Velocidade-Numérica, Ks = 1 m
0.9
0.8
0.7
0.6
V
0.5
(m/s) 0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
23
24
25
26
27
28
29 30 31 32
Tempo (horas)
33
34
35
36
37
38
Figura 38.-Influência da rugosidade na magnitude da velocidade na estação Maria Ortiz.
Observa-se na Figura (39) uma diminuição da velocidade na planície de mangue à
medida que se aumenta a rugosidade da planície de manguezal. È bem visível na
Figura (39) a diferença entre as velocidades do escoamento quando submetido a
diferentes rugosidades. Em outros resultados, à medida que aumentamos a
rugosidade no mangue às diferenças para as velocidades no canal principal
aumentam, sendo que a rugosidade maior provoca maior velocidade do
escoamento no canal principal.
_____________________________________________________________________________101
7761600
7761500
7761400
7761300
7761200
7761100
7761000
7760900
7760800
7760700
7760600
363000
363100
363200
363300
363400
363500
363600
363700
363800
Figura 39.-Influência da rugosidade no padrão de escoamento da região de manguezal, para valores de
k s = 9 metros setas vermelhas e k s = 11,5 metros setas azuis.
_____________________________________________________________________________102
Para a obter outros resultados utilizou-se a transformação dos valores de Manning
para os valores de ks (relembrando, ks é a rugosidade dos grãos de areia
determinado por Nikaradse, onde é obtida pelo diâmetro médio dos grãos de
areias (Figura 5). Usou-se a fórmula que relaciona o coeficiente de Manning ao
coeficiente de Chezy C (BINNIE & PARTNERS. Divast manual. 1993),
representada na seguinte expressão abaixo:
C=
H1 6
n
(22)
onde os valores de n podem variar de 0,02 a 0,3 para águas costeiras. É também
relatado no coeficiente de fricção de Darcy Weisbach λ como:
C=
8g
(23)
λ
Para escoamentos turbulentos e rugosos (BINNIE & PARTNERS. Divast manual.
1993) pode ser usada à relação:

H
= 5.75 log12.27 
λ
ks 

8
assumindo um perfil de
(24)
velocidade logarítmico, onde k s é igual à altura da
rugosidade e pode ser relatada como características do fundo como dunas e
outras feições (BINNIE & PARTNERS. Divast manual. 1993) ver (Figura 4). Estes
valores de K s (Tabela 7), indica a influencia da rugosidade em destaque nas setas
azul escuro e vermelho ( o campo de vetor velocidade) da Figura 39, a rugosidade
de 9 e 11.5 metros, indicando o quanto o escoamento foi influenciado pela fricção
do mangue como foi observado na (Figura 39).
_____________________________________________________________________________103
Tabela 7: A tabela indica as variações dos valores de coeficientes Manning usados em
estudos relacionados a regiões estuarinas ( WOLANSKI 1980 , n=0,2 a 0,6), com estes
valores converteu-se os valores de n para os valores de k s usando as equações (22, 23 e
24):
Valor de Mannig
Valor correspondente de
n =0,2
9,3 metros
n =0,3
10,2 metros
n =0,4
10,7 metros
n =0,5
11,0 metros
n =0,6
11,2 metros
n =0,7
11,3 metros
n =0,8
11,4 metros
n =0,9
11.5 metros
ks
O capitulo seguinte engloba as conclusões do trabalho, nesta parte vão ser
expostas às conseqüências dos resultados, quais os impactos para a área de
aplicação.
_____________________________________________________________________________104
Capitulo 6
CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES
_____________________________________________________________________________105
6. Conclusões
Neste capítulo serão apresentadas às conclusões sobre o estudo desenvolvido
nesta dissertação. As recomendações e sugestões para futuros trabalhos são
citadas neste capitulo.
6.1
Tombo da Maré
A onda longa de gravidade é tipicamente exemplificada como sendo o somatório
de constituintes harmônicos desta onda longa, sendo que cada constituinte tem
um especifico período e amplitude. Contudo, quando ocorre à entrada da onda em
águas rasas, o padrão da onda torna-se assimétrico (no tempo e espaço), devido
ao incremento da fricção de fundo e mudanças na batimetria. O desenvolvimento
da assimetria depende da trajetória do caminho físico que a onda de maré
percorre. A extremidade norte do canal da passagem é uma região de geometria
complexa e entrecortada por canais pequenos, o que afeta mais ainda o caminho
de propagação da maré.
O Canal da Passagem está sujeito a forçante de maré em suas duas
extremidades, na sua extremidade norte a geometria é entrecortada por alguns
canais. A onda que converge neste canal origina-se do oceano. Entretanto, o
resultados apresentados na simulação do modelo numérico DIVAST mostram que
a região de zona de convergência chamada tombo da maré, acontece em locais
diferentes. Os resultados numéricos mostram que a zona de convergência ocorre
desde a Ponte da Passagem até a extremidade norte do Canal da Passagem
Figuras (21 e 22). O tombo da maré de enchente ocorre em um local próximo à
Ponte da Passagem e o de vazante desloca-se para o extremo norte do Canal da
Passagem. A zona de convergência é formada por uma imensa coluna de água
parada que se desloca para a extremidade norte do Canal da Passagem.
_____________________________________________________________________________106
As implicações ambientais desta característica intrínseca deste canal são de que
na imensa coluna de água ocorre a falta de movimento horizontal da água (em
conseqüência disso há falta dos gradientes horizontais de pressão na coluna de
água que se desloca em direção à extremidade norte do canal). Isto indica que o
tempo de residência de solutos lançados no Canal pode aumentar, com possível
prejuízo na qualidade da água do Canal da Passagem.
Algumas partículas ou substâncias podem ser transportadas pelo escoamento
acumulado em torno da coluna de água onde o escoamento tende a convergir. Os
argumentos são apresentados de modo a explicar esta característica do Canal da
Passagem. A única explicação plausível é de que o canal tem características ao
longo de sua extensão muito diferentes, como citado anteriormente. A Entrada
pelo extremo sul é estreita e curva, o que tem efeito direto na onda de maré. Na
extremidade norte a onda de maré encontra uma entrada mais aberta e afunilada,
fazendo com que a água escoe com mais rapidez na vazante e enchente de maré.
Outro questionamento seria a presença da floresta de mangue na extremidade
norte do canal, causando uma fricção na vazante de maré e um bloqueio na
enchente de maré. O estreitamento do canal e a Ponte da Passagem somada ao
fator citado anteriormente (fricção do mangue e bloqueio) podem dar uma
característica própria para o padrão de escoamento do Canal da Passagem.
6.2
Simulação Numérica
As condições de maré foram usadas para simular em torno de 75 horas para a
maré de quadratura e sizígia. A qualidade da água do Canal da Passagem, que
recebe descargas significativas de efluentes, é ligada diretamente com as
condições de maré, características como a zona de convergência, chamada tombo
da maré, o estreitamento da Ponte da Passagem e a planície de manguezal
presente na extremidade norte do canal, que contribuem significativamente para o
padrão de escoamento do canal.
_____________________________________________________________________________107
No gráfico da Figura (39) observa-se que a velocidade foi afetada pela rugosidade
física como troncos rígidos das arvores, vários túneis de caranguejos que podem
chegar a 10 metros de profundidade, onde drenam a água da planície na
inundação e conferem uma rugosidade na vazante de maré. As raízes das árvores
do manguezal (ANEXO A) conferem também uma turbulência a mais no
escoamento nas proximidades de cada arvore. A planície de alagamento no
manguezal ainda tem a presença de restos de matéria orgânica, como folhas e
outros, adicionando uma rugosidade a mais na superfície do escoamento. A
superfície do escoamento no manguezal é composta por grãos muito finos (em
geral argila e matéria orgânica em decomposição) tendo um efeito muito pequeno
se comparado aos outros fatores citados anteriormente.
O modelo computacional DIVAST se mostra promissor para avaliar o padrão de
escoamento no Canal da Passagem. Nas simulações feitas pelo modelo nas
condições de maré de sizígia, para a malha de 15m x 15m, os resultados da
influência da rugosidade nas velocidades é mostrada na Figura (39), para a
estação de monitoramento Maria Ortiz. Nesta simulação obteve-se boa
representação numérica, sendo que a velocidade foi realmente afetada pela faixa
de rugosidade do mangue testada. Os valores de velocidade numérica
conseguiram
de
certa
forma
aproximar-se
dos
valores
de
velocidades
experimentais. Conclui-se, então, que a região de manguezal tem grande
importância na hidrodinâmica do Canal da Passagem. Para um melhor
gerenciamento da qualidade da água do canal, o conhecimento desta
hidrodinâmica do manguezal é de fundamental importância, principalmente no
controle de poluentes lançados no Canal da Passagem.
6.3
Recomendações
Por meio dos estudos realizados foi possível identificar assuntos que merecem ser
mais detalhados, a fim de aumentar os conhecimentos sobre o padrão de
_____________________________________________________________________________108
escoamento do Canal da Passagem. Neste estudo foi possível relacionar a zona
de convergência, chamada tombo da maré, com a rugosidade do mangue. Do
ponto de vista numérico o fenômeno foi investigado e identificado. Do ponto de
vista prático, há necessidade de mais investigações na região do manguezal.
O uso do modelo para as regiões costeiras mostrou ser uma ferramenta
indispensável. Para futuros estudos recomenda-se a inclusão do efeito da
densidade da vegetação do mangue no modelo numérico, através de simulações
que permitem uma alteração na densidade das arvores e sua relação com a
dispersão no Canal da Passagem, para uma melhor compreensão dos efeitos do
mangue.
Recomenda-se também um estudo através de derivadores, para verificar como se
comporta o escoamento no canal. Devem ser usados traçadores para avaliar o
tempo de residência em alguns pontos do canal. Uma outra recomendação é com
relação a batimetria da região de mangue. Uma medida mais apurada da
batimetria da região também é necessária para que o modelo possa ter uma
representação mais próxima da real.
_____________________________________________________________________________109
Capitulo 7
REFERÊNCIAS
_____________________________________________________________________________110
7. Referências
ABBOTT, M.B., DAMSGAARD, A. AND RODENHUIS, G.S. (1973) System 21,
Júpiter, A Design System for Two-Dimensional Nearly-Horizontal Flows. Journ. of
Hydraulics Research, 1(1) pp.1-28.
ABBOT, M.B. e BASCO, R., 1989. Computational Fluid Mechanics, An
Introduction for Engineering, Longman Group, UK Limited.
AFZALIMEHR, H. & ANCTIL, F. 1998. Estimation of Gravel-bed River Flow
Resistance. Journal of Hydraulic Engineering, 124, 10, pp. 1054-1058. ISSN
0733-9429.
ARAUJO, A. M., et al. Calibração da Circulação Hidrodinâmica em estuário
Balizada pela Propagação de Maré Hidráulica 2000. 90 Chileno de Engenieria
Mecânica IV Congresso Nacional de Energia.
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_____________________________________________________________________________120
APÊNDICES
_____________________________________________________________________________121
APÊNDICE A – Em todos os resultados mostrados nos apêndices seguintes,
considera-se que a rugosidade de Manning varia de 0,3 a 0,9 comparada às
rugosidades de 0,027 (1 metro), são obtidas para a elevação da superfície livre da
água ao longo da extensão do canal. Neste (APÊNDICE A) é considerado a
rugosidade no valor de 0,3 para Manning
(equivalente ao k s = 10,2 metros)
comparado a rugosidade de 0,027 ( equivalente ao k s = 1 metro) nos tempos de
simulação para enchente de maré da (Figura 30), em todos os gráficos na barra
de linha (149,9 no eixo x) é onde esta localizada a ponte da passagem:
ELEVAÇÃO AO LONGO DO CANAL
Elevação com Manning de 0,3 no tempo de 31 horas (ENCHENTE)
Elevação com Manning de 0,027 no tempo de 31 horas (ENCHE NTE)
η
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
-0.1
-0.2
-0.3
-0.4
-0.5
-0.6
-0.7
-0.8
-0.9
0
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180
Figura 40.-Elevação da superfície livre ao longo da extensão do canal com rugosidade de Manning igual
a 0,3 comparada à rugosidade de 0,027 em uma enchente de maré.
_____________________________________________________________________________122
APÊNDICE B – O resultado para o valor de 0,3 para o coeficiente Manning
(equivalente ao k S = 10,2 metros) comparado a rugosidade de 0,027 ( equivalente
ao k S = 1 metro) nos tempos de simulação para vazante de maré da (Figura 30):
Elevação com Manning de 0,3 no tempo de 24 horas (vazante de maré)
Elevação com Manning de 0,027 no tempo de 24 horas (Vazante de maré)
η
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
-0.1
-0.2
-0.3
-0.4
-0.5
-0.6
-0.7
-0.8
-0.9
0
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180
Figura 41.-Elevação da superfície livre ao longo da extensão do canal com rugosidade de Manning igual a
0,3 comparada à rugosidade de 0,027 em uma vazante de maré.
_____________________________________________________________________________123
APÊNDICE C - Resultado para valor de 0,4 para o coeficiente de Manning
(equivalente a k S = 10,7 metros) comparado a rugosidade de 0,027 ( equivalente a
k S = 1 metro) nos tempos de simulação para enchente de maré da (Figura 30):
Elevação com Manning de 0,4 no tempo de 31 horas (enchente de maré)
η
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
-0.1
-0.2
-0.3
-0.4
-0.5
-0.6
-0.7
-0.8
-0.9
0
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180
_____________________________________________________________________________124
APÊNDICE D - Resultado para o valor de 0,4 para o coeficiente de Manning
(equivalente a k s = 10,7 metros) comparado a rugosidade de 0,027 (equivalente a
k s = 1 metro) nos tempos de simulação para vazante de maré da (Figura 30):
η
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
-0.1
-0.2
-0.3
-0.4
-0.5
-0.6
-0.7
-0.8
-0.9
0
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180
a 0,4 comparada à rugosidade de 0,027 em uma vazante de maré.
_____________________________________________________________________________125
APÊNDICE E - Resultado para o valor de 0,5 para o coeficiente de Manning
k s = 1 metro) nos tempos de simulação para enchente de maré da (Figura 30):
η
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
-0.1
-0.2
-0.3
-0.4
-0.5
-0.6
-0.7
-0.8
-0.9
0
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180
_____________________________________________________________________________126
APÊNDICE F - Resultado para o valor de 0,5 para o coeficiente de Manning
ks
= 1 metro) nos tempos de simulação para vazante de maré da (Figura 30):
η
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
-0.1
-0.2
-0.3
-0.4
-0.5
-0.6
-0.7
-0.8
-0.9
0
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180
a 0,5 comparada à rugosidade de 0,027 em uma vazante de maré.
_____________________________________________________________________________127
APÊNDICE G - Resultado para o valor de 0,6 para o coeficiente de Manning
ks
= 1 metro) nos tempos de simulação para enchente de maré da (Figura 30):
η
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
-0.1
-0.2
-0.3
-0.4
-0.5
-0.6
-0.7
-0.8
-0.9
0
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180
Figura 46.-Elevação da superfície livre ao longo da extensão do canal com rugosidade de Manning no
valor de 0,6 comparada à rugosidade de 0,027 em uma enchente de maré.
_____________________________________________________________________________128
APÊNDICE H - Resultado para o valor de 0,6 para o coeficiente de Manning
ks
= 1 metro) nos tempos de simulação para vazante de maré da (Figura 30):
η
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
-0.1
-0.2
-0.3
-0.4
-0.5
-0.6
-0.7
-0.8
-0.9
0
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180
Figura 47.-Elevação da superfície livre ao longo da extensão do canal com rugosidade de Manning no
valor de 0,6 comparada à rugosidade de 0,027 em uma vazante de maré.
_____________________________________________________________________________129
APÊNDICE I - Resultado de simulação com valor de rugosidade de Manning de
0,3 para o mangue, o parâmetro de velocidade plotados em seguida nos mapas,
estão no tempo de 36 horas conforme ilustrado na (Figura 30). Abaixo na Figura
(48) em uma enchente de maré em sizígia, observa-se o padrão de escoamento
na parte norte do Canal da Passagem:
Figura 48.-rugosidade com valor de Manning de 0,3 correspondendo a um
k s de 10,2 metros.
_____________________________________________________________________________130
APÊNDICE J - Resultado de simulação com o valor de rugosidade de Manning de
0,3 para o mangue. Abaixo na Figura (49), observa-se o padrão de escoamento na
parte sul do Canal da Passagem:
Figura 49.-Rugosidade com valor de Manning de 0,3 correspondendo a um
k s de 10,2 metros.
_____________________________________________________________________________131
APÊNDICE K - Resultado de simulação com o valor de rugosidade de Manning de
0,4 para o mangue. Abaixo na Figura (50), observa-se o padrão de escoamento
para na parte norte do Canal da Passagem:
Figura 50.- Rugosidade com valor de Manning de 0,4 correspondendo a um
k s de 10,7 metros.
_____________________________________________________________________________132
APÊNDICE L - Resultado de simulação com o valor de rugosidade de Manning de
Figura 51.-Rrugosidade com valor de Manning de 0,4 correspondendo a um
k s de 10,7 metros.
_____________________________________________________________________________133
APÊNDICE M - Resultado de simulação com o valor de rugosidade de Manning de
parte norte do Canal da Passagem:
Figura 52.-Rugosidade com valor de Manning de 0,5 correspondendo a um
k s de 11 metros.
_____________________________________________________________________________134
APÊNDICE N - Resultado de simulação com o valor de rugosidade de Manning de
0,5 para o mangue. Abaixo na Figura 53, observa-se o padrão de escoamento na
Figura 53.- Rugosidade com valores de Manning de 0,5 correspondendo a um
k s de 11 metros.
_____________________________________________________________________________135
APÊNDICE O - Resultado de simulação com o valor de rugosidade de Manning de
Figura 54.-Rugosidade com valores de Manning de 0,6 correspondendo a um
k s de 11,2 metros.
_____________________________________________________________________________136
APÊNDICE P - Resultado de simulação com o valor de rugosidade de Manning de
0,6 para o mangue. Abaixo na observa-se o padrão de escoamento na parte sul
do Canal da
Passagem:: Rugosidade com valores de Manning de 0,6
correspondendo a um k s de 11,2 metros.
k s de 11,2 metros.
_____________________________________________________________________________137
APÊNDICE Q - Resultado de simulação com o valor de rugosidade de Manning de
k s de 11,3 metros.
_____________________________________________________________________________138
APÊNDICE R - Resultado de simulação com o valor de rugosidade de Manning de
Figura 57.- Rugosidade
metros.
com valores de Manning de 0,7correspondendo a um k s de 11,2
_____________________________________________________________________________139
APÊNDICE S - Resultado de simulação com o valor de rugosidade de Manning de
k s de 11,3 metros.
_____________________________________________________________________________140
APÊNDICE T - Resultado de simulação com o valor de rugosidade de Manning de
0,8 para o mangue, no tempo de 36 horas (Figura 30) em uma enchente de maré
em sizígia. Abaixo na Figura (59), observa-se o padrão de escoamento na parte
sul do Canal da Passagem:
k s de 11,3 metros.
_____________________________________________________________________________141
APÊNDICE U - Resultado de simulação com o valor de rugosidade de Manning de
em sizígia. Abaixo na Figura (60), observa-se o padrão de escoamento para na
k s de 11,5 metros.
_____________________________________________________________________________142
APÊNDICE V - Resultado de simulação com o valor de rugosidade de Manning de
de sizígia. Abaixo na Figura (61), observa-se o padrão de escoamento na parte
norte do Canal da Passagem:
k s de 11,5 metros.
_____________________________________________________________________________143
APÊNDICE W – Foto extremidade sul do canal próximo à ponte da Passagem em
situações de vazante e enchente de maré no mesmo local.
Figura 62.- Foto extremidade sul do canal, enchente de maré em C e vazante de maré em D.
_____________________________________________________________________________144
APÊNDICE X – Foto extremidade norte próximo à ponte da passagem do canal em
situações de vazante e enchente de maré no mesmo local.
Planície de Manguezal
Figura 63.- Foto extremidade sul do Canal da Passagem próximo à área de planície de manguezal (G),
representando uma situação de enchente (F) e vazante de maré (E).
_____________________________________________________________________________145
APÊNDICE Y – Foto do estreitamento da Ponte da Passagem
Figura 64.-Estreitamento da Ponte da passagem do lado da extremidade sul e norte do canal
respectivamente em (H) e (I).
_____________________________________________________________________________146
APÊNDICE Z – Lançamento de esgoto in natura direto no Canal da Passagem
próximo à ponte da passagem.
Figura 65.-Alguns pontos de lançamentos de esgoto in natura entre os vários encontrados ao longo do
canal da Passagem. Nos círculos vermelhos encontra-se respectivamente lançamento de esgoto
doméstico em (J) e (L).
_____________________________________________________________________________147
ANEXOS
_____________________________________________________________________________148
ANEXO A – Tipos de raízes de árvores de mangue
Figura 66.- Forma física das raízes de árvores de mangue em (M e O) e espécies nativa da Mata
atlântica em (N). Em (M) raízes fulcreas de fixação ao solo e em (O) pneumatóforos que emergem até a
superfície da água para a troca de gases com a atmosfera, (N) raízes do tipo sapopema e tabulares.
Fonte: Vareschi 1980 (apud LUTTGE 1997, p 35).
_____________________________________________________________________________149
ANEXO B - Nível de elevação de maré no mundo, a seta vermelha indica que a
altura de maré incidente na região Canal da Passagem é menor que 2 metros.
Figura 67.-Altura de maré no globo terrestre. Fonte: www.epa.gov
_____________________________________________________________________________150
ANEXO C - Figura onde mostra o regime de maré que predomina na região de
estudo, a seta vermelha indica aproximadamente a localização do Canal da
Passagem. O regime de marés é semidiurno:
Figura 68.-Uma visão geral sobre regime de marés no globo terrestre. Fonte www.epa.gov
_____________________________________________________________________________151
ANEXO D – Granulometria das areias de fundo do Canal da Passagem:
Grânulos mais
grossos
Areia Média
Areia muito fina
Areia Média
Grânulos mais
grossos
Estreitamento da Ponte
da Passagem
Figura 69.- Granulometria das areias do fundo do Canal da Passagem modificado (Fonte: Paiva &
Albino 2000) .
_____________________________________________________________________________152
ANEXO E - Lançamento de efluentes da estação Municipal de Vitória na Parte
norte do Canal da Passagem.
Foto do local de saída do efluente da estação de tratamento da Cesan para o
Canal da Passagem (Companhia Espírito Santense de Saneamento):
SERRA
7762000
Rio Snta Maria da Vitória
7761000
Estação Ecológica
Municipal
Ilha do Lameirão
Maria Ortiz
Baía
de
7759000
Vitóri
a
Caeiras
7760000
Estação maregráfica no
inicio do Canal da
Passagem e Maria Ortiz
Correntografo na Ilha
das Caeiras e Maria Ortiz
7758000
MANGUE
7756000
0
362000
1000
363000
2000
3000
364000
do
E
Pa
ss
ag
em
sp
irit
o
Àgua
Ilha de Vitória
361000
Sa
nto
TERRA
da
Ba
ía
Ca
na
l
7757000
4000
365000
366000
Figura 70.-Local onde é lançado o efluente no Canal da Passagem da estação Municipal de tratamento
de Vitória, marcado em (P). Fonte: Laboratório de Zooplacton Ufes (Professor Luis Fernando
Loureiro Fernandes)
_____________________________________________________________________________153
ANEXO F: Metodologia de estudo sedimentológico do material de fundo do
sistema estuarino da região Metropolitana de Vitória, ES (PAIVA et al 2000).
No estudo foram determinadas seções ao longo do Canal da Passagem e na Baía
de Vitória (ANEXO D), até a sua porção noroeste, para o posicionamento de 56
estações de coleta, que foram realizadas com o auxílio de uma draga do tipo
Pettersen. O material coletado passou por uma prévia preparação, que constituiu
na eliminação dos sais através de lavagem em água corrente, secagem em estufa
para obtenção do peso seco e quarteamento, a fim de se obter a quantidade de
50g da amostra para a determinação dos teores de matéria orgânica e da
granulometria. A eliminação da matéria orgânica existente no sedimento foi
realizada por dissolução.
A análise granulométrica foi iniciada pela separação via úmida da fração fina
(lama), utilizando-se peneira de malha 0,062 mm. Nos resultados apresentados
neste estudo no canal da Passagem observam-se areias médias na porção central
onde há alteração na sua geometria, sugerindo a existência de um escoamento
com capacidade de transportar diâmetros maiores de partículas.
Os grânulos mais grossos são também observados na extremidade sul do canal e
extremidade norte próximo à boca do estuário (ANEXO D); os grânulos podem ser
devidos ao aporte marinho trazido para o interior do canal pelas correntes
litorâneas e de maré.

vitória, es

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