Sedimentos e hidrologia Transporte de sedimentos em rios e canais

Apresentação em tema: "Sedimentos e hidrologia Transporte de sedimentos em rios e canais"— Transcrição da apresentação:

1 Sedimentos e hidrologia Transporte de sedimentos em rios e canais
Prof. Carlos Ruberto Fragoso Jr. Marllus G. F. Passos das Neves

2 Transporte de sedimentos em rios e canais
Forças sobre partículas imersas Início do movimento Modalidades de transporte de material material flutuante material dissolvido sedimentos Modalidades de transporte de sedimento wash-load (lavagem) bed-material load (transporte de material do leito) em suspensão como descarga de fundo

3 Forças sobre partículas imersas
Arrasto Sustentação Peso

4 Início do movimento - Shields
Shields analisou o problema do início do movimento de partículas de sedimentos. Procurou entender as forças que agiam sobre uma partícula: Peso ou inércia: tende a resistir ao início de movimento Arrasto e sustentação: tendem a movimentar a partícula FG FE

5 Peso ou inércia Força pode ser descrita por uma equação do tipo acima, onde: g é a aceleração da gravidade dp é o diâmetro da partícula (sedimento) rs é a massa específica do sedimento r é a massa específica da água KG é uma constante que depende da forma da partícula

6 Arrasto e sustentação Força pode ser descrita por uma equação do tipo acima, onde: dp é o diâmetro da partícula (sedimento) r é a massa específica da água KD é uma constante que depende da forma da partícula U é a velocidade da água junto à partícula

7 Arrasto e sustentação E qual é a velocidade U?
Sabemas que a velocidade não é constante, sendo menor próxima do fundo. A velocidade adotada neste caso é a velocidade de cisalhamento u* , que pode ser entendida como uma velocidade representativa da região próxima ao fundo.

8 Arrasto e sustentação E como estimar a velocidade de cisalhamento u*?
da Mecânica de Fluidos ou da Hidráulica deveríamos lembrar que: onde t0 é a tensão de cisalhamento junto ao fundo ou

9 Tensão de cisalhamento junto ao fundo
Força peso sobre um volume de água Componente na direção do escoamento (para S pequeno):

10 Tensão de cisalhamento junto ao fundo
Se o escoamento é permanente e uniforme, e o rio é largo, força peso é anulada por força de atrito junto ao fundo.

11 Tensão de cisalhamento junto ao fundo
Assumindo que a força de atrito ocorra em toda a área da base do volume, e que Volume = h . Área da base podemos igualar a tensão de cisalhamento ao peso

12 Portanto... Onde h é a profundidade (m);
S é a declividade (m/m ou adimensional); é o peso específico (N/m3) t0 é a tensão de cisalhamento junto ao fundo (N/m2)

13 O trabalho de Shields Shields identificou duas variáveis adimensionais: Relação entre forças Número de Reynolds para a partícula onde n é a viscosidade cinemática

14 O trabalho de Shields Shields identificou duas variáveis adimensionais: Relação entre forças Número de Reynolds para a partícula E passou a fazer ensaios em laboratório para encontrar o valor de Y que corresponde ao início do movimento das partículas (Y*)

15 Shields Tensão de cisalhamento (favorece o movimento do sedimento)
Peso (dificulta o início do movimento do sedimento) Pergunta de Shields: Para qual valor de Y o sedimento começa a se movimentar?

16 Diagrama de Shields Partículas em movimento Partículas paradas

17 Exemplo Diagrama de Shields
Considere um rio de 30 m de largura, 0,2% de declividade e 0,45 m de profundidade. Nessas condições a velocidade de escoamento é de 1,0 m/s. O sedimento transportado tem massa específica de 2650 kg/m³ e a distribuição granulométrica dada por: D90 = 12 mm, D65 = 7,0 mm, D50 = 5,0 mm, D35 = 4,0 mm

18 Início do movimento - Hjulstrom
Outro critério para início de movimento é baseado na velocidade média do escoamento.

19 Início do movimento - Hjulstrom

20 Modos de transporte de material

21 Transporte de sedimentos
Modos de transporte Transporte total Transporte de sedimentos Transporte em suspensão Material dissolvido Lavagem Transporte material presente no leito

22 Modos de transporte

23 Sediment transport -Some definitions
Total Sediment Transport Total Bed Material Load (sands, gravels, etc) Wash Load (silts, clays, etc) Bed Load (rolling, bouncing, dune migration) Suspended Bed Material Load (originates from bed) Wash Load Bed Load Suspended Load

24 Carga de Lavagem ou washload
Material transportado em suspensão Pouco presente ou mesmo ausente no leito Concentração depende do aporte e é mais ou menos independente das variáveis do escoamento, como a velocidade Só deposita em oceanos, lagos ou estuários Pode ser responsável pelo transporte de poluentes Tem pouca importancia em termos morfológicos para rios, mas tem importância em lagos, reservatórios e estuários

25 Carga de material do leito
Material transportado que tem aproximadamente as mesmas características do material encontrado no leito Pode ser dividido em suspensão arraste

26 Sediment Transport Bed-load transport: sliding, rolling, saltating
Suspended transport: sediment moves through the fluid Suspension Sediment Bed-load Bed

27 Bed-load transport Once the forces acting on particles are strong
enough to intiate motion… Figure from Chanson, p. 200 … particles slide, roll, and saltate down the river bed at a steady rate. Figure from Chanson, p. 180

28 Suspended Transport Particles entrained at the bed-load layer
Transported by convection, diffusion, and turbulence Suspension occurs here Figure from Chanson, p. 200

29 Medições de transporte de sedimentos
Amostradores arrasto (Helley-Smith) suspensão Turbidímetros ADCP

30 Amostradores de sedimentos em suspensão
Integradores verticais são operados deslocando-se na vertical com o uso de um guincho 1) descendo até o fundo; 2) subindo até a superfície (velocidade o mais constante possível e próxima a um valor previamente calculado) Amostrador pontual equipamente dispõe de uma válvula e pode ser aberto para coletar amostra de um ponto pré-determinado

31 Integradores verticais
US DH-59 Amostra recolhida representa uma média de toda a vertical US DH-74

32 Amostradores pontuais
Dispõe de uma válvula para abrir o bocal apenas quando o equipamente estiver corretamente posicionado Fica coletando amostra no mesmo ponto Permite conhecer perfil de concentração na vertical

33 Amostrador pontual

34 Amostrador de material de arraste

35 ADCP Medições de vazão usando um aparelho de medição de velocidade por efeito Doppler em ondas acústicas.

36 Princípio ADCP

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40 Relações Q x Cs ou Q x Qs

41 Fórmulas para estimativa de concentração ou descarga sólida
Fórmulas de transporte por arraste Fórmulas de transporte por suspensão Fórmulas de transporte de material do leito

42 Transporte de material do leito
Existem muitas fórmulas empíricas para estimar o transporte de material do leito Diferentes hipóteses básicas Ackers-White (1973) Engelund-Hansen (1967) Brownlie Yang (1973)

43 Transporte de material do leito
O que elas tem em comum? Baseadas em dados de pequenos canais de laboratório. Relacionam transporte com características fundamentais do escoamento, preferencialmente com adimensionais Ackers-White (1973) Engelund-Hansen (1967) Brownlie Yang (1973)

44 Equação de Yang Ackers-White (1973) Engelund-Hansen (1967) Brownlie
areia seixos

45 Yang: areia ou seixo? D50<2 mm Use equação areia D50>=2 mm
Use equação seixo

46 Equação de Yang para areia
Onde: Cs é a concentração por peso em partes por milhão (ppm); d é o diâmetro (d50) dos sedimentos em metros; ws é a velocidade de queda dos sedimentos de diâmetro d em m.s-1;  é a viscosidade em m2.s-1; U é a velocidade de cisalhamento em m.s-1; U é a velocidade média na seção em m.s-1; S é a declividade da linha de energia; Uc é a velocidade média para movimento incipiente dos sedimentos, dada por:

47 Uc na equação de Yang para para

48 Equação de Yang para seixos

49 Aplicando equação de Yang passo a passo
Definir d50. D50 é areia ou seixo? Calcule a velocidade média U e a profundidade h Calcule a viscosidade cinemática n Calcule a velocidade de cisalhamento U*

50 Aplicando equação de Yang passo a passo
Calcule o número de Reynolds da partícula

51 Aplicando equação de Yang passo a passo
Calcular velocidade crítica para inicio de movimento para usando para

52 Aplicando equação de Yang passo a passo
Calcular e, finalmente: Onde: Cs é a concentração por peso em partes por milhão (ppm); d é o diâmetro (d50) dos sedimentos em metros; ws é a velocidade de queda dos sedimentos de diâmetro d em m.s-1;  é a viscosidade em m2.s-1; U é a velocidade de cisalhamento em m.s-1; U é a velocidade média na seção em m.s-1; S é a declividade da linha de energia; Uc é a velocidade média para movimento incipiente dos sedimentos

53 Aplicando equação de Yang passo a passo
Calcular Cs usando Cs é a concentração por peso em partes por milhão (ppm); É equivalente a mg/litro para concentrações não muito altas Qs (descarga de sedimentos) pode ser calculada por Qs = Q . Cs

54 Descarga de sedimentos (Qs)
Qs é o produto da vazão Q vezes a concentração Cs.

55 Descarga de sedimentos
Cs em mg/l ou ppm Q em m3/s Então em Kg/s Ou então em ton/dia

56 Exemplo Qual é a descarga de sedimentos (areia) presentes no leito no caso de um rio com declividade de 10 cm/km, 6 metros de profundidade, 300 metros de largura e com d50 de 0,5 mm?

57 1 – Considerações iniciais
Vamos considerar: n=0.035 Temperatura da água 20 C Seção transversal retangular Massa específica da areia de 2650 kg/m3 Vale a equação de Yang

58 2 – Velocidade e vazão Usando Manning a Velocidade é em m/s
e a vazão é Q = U . A = U.B.h = 0, = 1698 m3/s

59 3 – Viscosidade cinemática
A viscosidade cinemática para T = 20 C é obtida por: Resultando em 1, m2/s

60 4 – Velocidade de queda A velocidade de queda das partículas pode ser calculada por A = 0,954 B = 5,12 onde Onde g é a aceleracão da gravidade (m.s-2) DN é o diâmetro nominal dos sedimentos: DN=D.0,9 (metros) é a viscosidade cinemática da água Jimenez e Madsen (2003) citado por Marcelo Garcia em Sedimentation EngineeringASCE 2007

61 4 – Velocidade de queda O resultado é:

62 5 – Velocidade de cisalhamento

63 6 – Número de Reynolds da partícula

64 7 – Velocidade crítica para início de movimento dos sedimentos
De acordo com a equação de Yang, a velocidade crítica para o início do movimento dos sedimentos pode ser calculada por para para

65 7 – Velocidade crítica para início de movimento dos sedimentos

66 8 – Calcular Cs

67 9 – Calcular Qs Portanto a descarga sólida corresponde a 6423 toneladas por dia.

68 Comentários Na verdade a concentração de sedimentos e a descarga sólida variam com a vazão Vazões altas tem maior transporte do que vazões baixas Grande parte do material do leito é movimentado durante as cheias, permanecendo mais em repouso durante as estiagens

69 Curva de permanencia + transporte de sedimentos

70 Exercício Utilize a equação de Yang para estimar a descarga de sedimentos do Arroio Dilúvio (seção transversal abaixo), com declividade de 3,65 m/km, com d50 de 1,5 mm. Considere a vazão de 50 m3/s.

71 Sedimentos e hidrologia Morfologia fluvial

72 Processos de formação da calha Equilíbrio e Ajuste
Ajuste e equilíbrio idéias qualitativas (Lane) modelos matemáticos

73 Equilíbrio Uma das características mais marcantes dos rios é sua capacidade de ajustamento ou resiliência Em um rio estável a seção transversal se mantém relativamente estável e a declividade do fundo pouco se altera

74 Equilíbrio ou estabilidade segundo Lane (1955)
Normalmente o equilíbrio de um rio depende dos seguintes fatores: Descarga de sedimentos Diâmetro dos sedimentos Vazão Declividade A alteração de um dos fatores vai provocar a alteração de outros para voltar a uma condição estável

75 Lane (1955)

76 Estabilidade ou equilíbrio

77 De acordo com Lane Um rio permanece estável se alterações na descarga sólida são contrabalançadas por alterações na declividade ou na vazão Redução na declividade resulta em deposição de sedimentos Redução apenas na descarga de sedimentos resulta em erosão

78 Formação de planície Enchentes, migração e abandono de meandros aos poucos vão moldando a planície

79 Forma em planta de um rio

80 Meandros - formação

81 Corte natural de meandros

82 Corte natural de meandros
Rio São Lourenço (MT) em mapa baseado em imagem aérea de 1967 Rio São Lourenço (MT) em imagem de satélite LANDSAT de 1988

83 atual 1967 1988

84 Calha menor x calha maior

85 Outros processos naturais de abandono de trechos de rios
Processos de abandono de trechos de rios (Press e Siever, 1986) a) “Cut-off”; b) Corte de meandro; c) “Avulsion” (avulsão ou abandono de trecho de rio).

86 Avulsion (avulsão) Ocorre em leques aluviais ou deltas.

87 Perfil longitudinal de um rio

88 Formas de fundo duna

89 Formas de fundo rio Teles Pires MT

90 Bancos de areia/sedimentos
Bancos alternados

91 Bancos alternados Bancos alternados podem se desenvolver iniciando processo de formação de meandros Caso as margens não sejam erodiveis, meandros não podem se formar

92 Forma da seção do livro Stream Hydrology: An introduction for Ecologists – de Gordon et al.

93 Diques marginais naturais

94 Características da forma da seção
Relação largura profundidade Depende do material Usualmente cresce de montante para jusante Podem ser relacionadas à vazão (formadora) Podem ser relacionadas à área de drenagem

95 Exemplo largura de rios na bacia Amazônica

96 Exemplo profundidade de rios na bacia Amazônica

97 Exemplo área molhada de rios na bacia Amazônica