Geometria Hidráulica de Canais Fluviais

Éderson Dias de Oliveira

RAMOS, Catarina. Programa de Hidrogeografia, Centro de Estudos

Geográficos da Universidade de Lisboa, Lisboa, 2005

“todos os rios correm para o mar, e o mar nunca está cheio. Do lugar

de onde os rios vieram, para lá eles voltam a correr” (Eclesiastes, 1:7)

Geomorfologia fluvial: breve aspectos da geometria hidráulica

Os sistemas fluviais são dotados de uma dinâmica própriaque reflete na esculturação do relevo, sendo a geomorfologiafluvial a ciência capaz de subsidiar uma análise consistentedesse sistema.

A geomorfologia fluvial é definida como o estudo dos cursosfluviais, as formas resultantes do escoamento das águas, ascaracterísticas geológicas, hidrológicas, climáticas e deocupação do solo que condicionam o regime hidrológico.(Guerra e Cunha, 2009).

Nesse ínterim, o conhecimento da fisiografia fluvial (ostipos de leito, os elementos da seção transversal, os débitosfluviais, a rede de drenagem e os processos fluviais deerosão, transporte e deposição) é de suma importância paraa compreensão da morfologia fluvial.

O sistema fluvial muda em resposta aos aspectos climáticos,geológicos e as características e dinâmicas geomorfológicas(incluindo as ações antrópicas) que ocorrem ao longo dotempo/espaço na BH.

A escala temporal varia desde o tempo “profundo” até otempo “recente” como da escala humana, com destaque paraas intervenções antrópicas que tem se acentuado a partir doséculo XVIII.

Também os sistemasfluviais apresentam umadiversidade espacial,podendo ser constituídospor áreas de drenagem /rios de milhares de kmaté áreas / rios de apenasalguns metros.

Na BH os canais se ajustam aos débitos que fluem por meiode determinada seção.

As suas dimensões são controladas pelo equilíbrio entre asforças erosão / entalhamento e de deposição / agradação aolongo das margens e leitos.

Sua dinâmica também está atrelada ao ciclo hidrológico, quepor meio dos escoamentos superficiais e subterrâneos,possibilitam o suprimento dos débitos fluviais(CHRISTOFOLETTI, 1981).

Com relação aos aspectos fisiográficos do canal, váriaspesquisas têm trabalhado com a geometria hidráulica, queinvestiga a morfologia dos canais fluviais.

É considerada como um modelo empírico, tendo comovanguarda Leopold e Maddock (1953), objetivando analisaras características de comportamento do canal.

A geometria hidráulica considera que a vazão é uma variávelindependente e dominante que age como modificadora dospossíveis ajustamentos sofridos pelo canal fluvial.

Portanto, o fluxo juntamente com o material sedimentar(granulometria do material e a rugosidade do leito) sãoelementos importantes na estruturação fisiográfica doscanais fluviais.

Os estudos da geometria hidráulica envolvem as variáveis daseção transversal como: largura, profundidade, velocidade,vazão, declividade superficial da água e do leito, área,perímetro molhado e raio hidráulico (Figura a seguir).

Morfometria do canal de escoamento

No curso fluvial no sentido montante jusante, à medida queseus tributários são encontrados ocorre o aumento da áreade drenagem e acréscimo de sua vazão.

Ao mesmo tempo, ocorrem mudanças na declividade, notransporte de sedimentos, tipo de material do leito, entreoutras mudanças nas propriedades geométricas do canalfluvial (LEOPOLD et al., 1992).

• Leitos Fluviais: se referem a uma feição morfológica com umadinâmica própria. Considerando a frequência das descargas e atopografia dos cursos fluviais, são classificados de acordo como nível que ocupam na seção transversal (Guerra e Cunha, 2009).

• Dessa forma, ao longo da seção transversal há os leitos devazante, leito menor (cheia) e o leito maior (inundação),correspondendo estes ao espaço ocupado pelo escoamento daságuas.

Tipos de leito de um canal fluvial

• O leito de mais fácil visualização é aquele ocupado pela vazãofluvial de baixa magnitude, ou seja, o leito de vazante.

• Este se refere à calha onde o rio percorre a maior parte doano, sendo utilizado para o escoamento fluvial de pequenocaudal, serpenteando entre as margens do leito menor,acompanhando o talvegue.

• Fora deste, têm-se o leito menor também denominado decalha principal, sendo a área de abrangência das cheias, trata-se de um leito bem delimitado, encaixados entre as margens.

• Com a ocupação de uma área mais abrangente ainda há o leitomaior (também denominado de calha secundária, áreamarginal, planície de inundação, leito periódico ou sazonal,planície aluvial ou várzea).

• Esse leito é ocupado pelasinundações, que se trata deenchentes extraordináriascom longo período deretorno (Enomoto, 2004;Eckhardt, 2008).

Enchentes e Inundações

• O débito do canal fluvial é condicionado pelos processoshidrometeorológicos que influencia na dinâmica do regimefluvial ao longo do ano hidrológico.

• Há também outras condicionantes da BH como: geometria dabacia, relevo/declividade, tipo de solo, cobertura vegetal,capacidade e densidade de drenagem (TUCCI, 2000).

• Os canais fluviais apresentam uma dinâmica própria comrelação à variação dos níveis das águas e das respectivasvazões ao longo do ano junto a uma determinada seção.

O período em que o leito fluvial é ocupado pelas águas baixasse refere ao débito fluvial de vazante, esse tipo de vazãoacompanha a linha de maior profundidade do canal (talvegue)e ocorre na maior parte do ano (GUERRA, 1993). – (Figura aseguir).

Os termos enchentes e cheias possuem o mesmo significado,correspondendo, portanto as mesmas magnitudes de vazõesfluviais, no entanto o termo inundação é diferente, apesar deser tomado frequentemente como sinônimo de enchente oucheia (FISRWG, 1998).

Contudo, quando há oacréscimo significativo davazão, surgem algumasincertezas quanto aostermos enchentes,inundações e cheias.

Kobiyama e Goerl (2011) salientam que: as palavras cheia eenchente têm como origem o verbo encher, do Latimimplere, que significa: ocupar o vão, a capacidade ou asuperfície de; e tornar cheio ou repleto.

Tipos de Leitos: vazante, enchente e inundação - Adaptado de Fisrwg (1998)

Quando as águas do rio elevam-se até a altura de suasmargens, contudo, sem transbordar nas áreas adjacentes, écorreto dizer que ocorre uma enchente.

A partir do momento em que as águas transbordam, ocorreuma inundação.

As enchentes (ou cheias) referem-se a um fenômeno naturalque faz parte da dinâmica natural do curso fluvial.

Estas ocorrem em períodos dechuvas mais prolongados,quando há um acréscimo dadescarga fluvial, permitindoque o leito de vazante (ocupadopelo rio a maior parte do ano)seja extrapolado.

Como decorrência disso o leito menor é todo preenchido pelodébito fluvial, contribuindo para uma elevação temporária donível d’ água normal.

Já a inundação em termos gerais, trata-se de um fluxorelativamente alto que ultrapassa a capacidade do canal.

Uma das características da inundação é o extravasamentodas águas da seção de margens plenas para as planíciesadjacentes, em virtude do débito ser superior a capacidadede descarga da calha principal (leito menor).

• Enfim, tanto as enchentes como as inundações não sãonecessariamente sinônimas de desastre, mas se referem aprocessos hidrológicos dos ambientes lóticos.

• Esses eventos são por si só, fenômenos naturais queapresentam certa regularidade (período de retorno), com umaárea de atuação ao longo dos rios.

• No entanto,quando essestêm sua adja-cência ocupadapelo homem,os riscos edesastres sãopotencializa-dos (Enomoto,2004).

Seção Transversal

Ao longo de uma seção transversal háelementos geométricos de importânciabásica para o estudo do sistema fluvial.

A figura a seguir apresenta os principaisaspectos geométricos da seção transversal esua descrição.

Variáveis morfológicas de uma seção transversal - Fernandez (2004)

•A dimensão das variáveis geométricas da seção transversal,não são arbitrárias, ou seja, resultam da interação de fatoresrelacionados à carga de detritos, suas dimensões médias,quantidade, litologia, formas deposicionais e fluxo d’água.

•Quando as características das águas ou detritos sãoalteradas por mudanças antrópicas; climáticas ou dacobertura vegetal na BH, o sistema do canal se ajusta para umnovo conjunto de condições.

•A variação do ajuste docanal favorece o avanço dodébito fluvial na direçãodas planícies adjacentes aolongo do leito principaldurante os eventos deinundações (DUNNE eLEOPOLD, 1978).

• À medida que se eleva o níveldas águas, há aumento davelocidade e da força decisalhamento, promovendo oentalhamento do canal.

• Inversamente, a diminuição gradativa no volume do fluxo vaipermitindo a deposição da carga sedimentar transportadapelo rio, favorecendo a elevação do nível do leito.

Margens plenas (Bankfull)

• Na análise das seções transversais do canal fluvial uma dascaracterísticas mais importantes se refere ao nível demargens plenas.

Segundo, Wolmam e Leopold (1957) o nível de margens plenascorresponde a um plano horizontal no qual a descarga líquidapreenche na medida justa a seção do canal fluvial antes deultrapassar em direção à planície de inundação.

Esse nível demarca o limite entre os processos fluviais quemodelam o canal e os que constroem a planície de inundação.

Trata-se de um nível com grande significadohidrogeomorfológico, sendo possível identificar em campo,pois ao contrário do nível do fluxo fluvial as margens plenaspossuem certa “estabilidade”, sendo, portanto apropriado osestudos que as levem em consideração.

Umas das metodologias (há 11) muito usada para definição éa análise da morfologia da seção transversal, definida como onível topográfico situado na parte superior do canal fluvial,onde é nítida a formação da planície adjacente.

A definição de margensplenas é relativamentesimples, todavia quando sebusca interpretar suaaplicabilidade/delimitaçãoem campo surgem muitasdificuldades.

Trata-se do nível superior do leito principal capaz de darsuporte a vazão que preenche a capacidade total do canalfluvial.

Christofoletti (1981) defende que o tempo de retorno de1,58 anos de intervalo no sistema fluvial, corresponde aoestágio das cheias, sendo definido como o nível de margensplenas.

Geometria hidráulica ao longo do perfil longitudinal fluvial

Os métodos de trabalhos envolvendo a geometria hidráulicapodem ser estudados de duas maneiras: em determinadaseção transversal ou ao longo do perfil longitudinal do canalfluvial / crono-corologia;

Já a geometria hidráulica ao longo do perfil longitudinalprevê a adaptação do tamanho e da forma do canal deacordo com a variação da vazão ao longo do canal (montante-jusante) (FERGUSON, 1986 apud GRISON, 2010).

A primeira prevê asmudanças na largu-ra, profundidade evelocidade com avariação da vazão.

Os canais fluviais com suas propriedades geométricas nãoalteradas, tendem a manter certa proporcionalidade nasvariáveis contidas na seção transversal e no perfillongitudinal.

Os sistemas fluviais apresentam alguns elementos queauxiliam no ajuste do canal como:

zonas ripárias;

rugosidade daseção transversal;

sinuosidade(meandros);

material de leito esuspensão;

cobertura vegetaldo solo na BH,

entre outros.

• A análise da geometriahidráulica ao longo doperfil longitudinal em nívelde margens plenas évaliosa para engenheiroshidrólogos, geomorfólogose biólogos, que participamdos processos derestauração e proteçãodos rios (Fernandez,2003).

• Leopold e Maddock (1953) colocam que a geometria hidráulicaao longo do perfil longitudinal pode ser estabelecida a partirda vazão em nível de margens plenas.

• A maneira como esses parâmetros variam no sentidomontante-jusante pode ser descrito pela geometria hidráulicado canal (Charlton, 2008).

Esses estudospermitem inferir oestado de ajuste doscanais fluviais, sendoessenciais para tratarda dinâmicaenvolvendo a vazãofluvial e a descargade sedimentos.

Os mesmospossibilitam avaliar oajuste daspropriedadeshidráulicas fluviais,principalmente, emáreas urbanas.

Urbanização e o crescimento espacial urbano Fenômeno na região tropical do planeta espontâneo(Christofoletti, 1997 e Drew, 1994).

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1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010

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Anos (década)

População Urbana

População Rural

Fonte: IBGE, 2010

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010

Efeitos da dinâmica urbana na hidrogeomorfologia fluvial

alteração morfológicas dos canais;

mudanças no padrão de drenagem;

ocorrência de inundações;

acúmulo de resíduos sólidos;

lançamento de efluentes.

Efeitos adversos da urbanização nos sistemas fluviais

Variam de acordo com o nível deplanejamento e o grau deurbanização, sendo definido em trêsetapas (Wolman, 1967):

• Fase I – estágio de equilíbrio semalterações significativas noambiente;

• Fase II – implantação dainfraestrutura urbana –potencialização da produção desedimentos;

• Fase III – consolidação daurbanização com predomínio desuperfícies impermeáveis.

I

II

III

Efeitos no sistema encosta/vertente* Compactação;

* Impermeabilização;

“Alteração do equilíbrio hidrodinâmico das vertentes -

processo natural da precipitação - infiltração - percolação”.

Com

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Efeitos nos sistemas fluviais

*Incremento significativo de água no fundo de vale -Benetti e Bidone (2001) águas pluviais - efeito de lavagemsuperficial que drena, impurezas e detritos das ruas epavimentos.

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Estudo de caso sobre efeitos urbanos em canais fluviais –sedimentação/poluição de trechos fluviais

Wolman e Schick (1967) produção de sedimentos deconstruções – assoreamento; sedimentos de orgânicos (galho,pedaços de madeira, móveis e etc.) - entupimento das redesde drenagem.

Graf (1975) Denver – EUA constatou que na “fase II” daurbanização a produção de sedimentos aumentou em atétrinta vezes acima do normal.

Tucci e Braga (2000) consolidação urbana - redução naprodução da carga de sedimentos – incremento de materiaistecnogênicos.

Inundações - de um fenômeno natural para um artificial

Aumento da frequência eintensidade;

Ocorrência de desastres;

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Estudo de caso – desajuste da morfologia fluvial

Bacia Hidrográfica do Rio Cascavel – Guarapuava PR

R² = 0,77

0.3

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Área de drenagem (km²)

R² = 0,72

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Área de drenagem (km²)

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Área de drenagem (km²)

R² = 0,89

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0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5

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Área de drenagem (km²)

Relações entre as propriedades geométricas do canal fluvial - área rural

A geometria hidráulica descreve a relação entre variáveiscontidas na seção transversal que se comportam de maneiraalométrica.

Coeficiente de correlação

R² = 0,488

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Área de drenagem (km²)

R² = 0,496

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Área de drenagem (km²)

R² = 0,499

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0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

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m³/

s)

Área de drenagem (km²)

R² = 0,252

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0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

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m)

Área de drenagem (km²)

Relações entre as propriedades geométricas do canal fluvial - área urbana

Construção de diques emargens artificiais.

Alargamento eaprofundamento: alteraçãodas propriedadesgeométricas da seçãotransversal;

Limpeza do canal:declividade rugosidade;

Retificação: suavização dosmeandros;

• Canalização – conjunto de obras de engenharia paraexportar os resíduos líquidos urbanos.

Petts e Amoros (1996) - sinuosidade natural é de 10 a 100vezes a sinuosidade artificial;

Diminuição do Tc, erosão montante e jusante.

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Dias-Oliveira et. al. (2010) Arroio Carro Quebrado /Guarapuava – encontrou desajustes alometricos daspropriedades geométricas do canal retificados - nãoproporcionalidade a jusante.

Fernandez (2004) Marechal CândidoRondon - encontrou desajuste nasrelações entre a área da bacia e aspropriedades geométricas dasseções transversais.

Vieira e Cunha (2006) Teresópolis-RJ – encontrou desproporcionalidadedos canais em direção à jusante -obras setoriais - pontos assoreados.Correlações fracas e negativas - r² =- 0,67 à r² = 0,28.

Aumento da densidade de drenagem

Rede de drenagem e uso da terra da bacia do córrego Siriema, Jandaia do Sul

Ações preventivas e mitigadoras

Planos diretores de drenagem

Medidas estruturais - envolvem obras de engenhariahidráulicas de porte com elevado custo de implantação.

Restauração fluvial das condições naturais em um córrego em Sidney, Austrália

Fonte: Frost (2002) apud Canholi (2005, p. 64)

Medidas não-estruturais – buscam controlar o uso e ocupaçãodo solo (várzeas) - efeitos das inundações.

instalação de estações de monitoramento da qualidade daágua e do regime fluvial – “respostas ambientais”;

intervenção nos canais subdimensionados – inundações;

colocação de parques lineares nas áreas ribeirinhas;

instalação, ajustes e manutenção de dissipadores de energiana rede de drenagem, a fim de minimizar os impactos damorfologia fluvial;

Carmo (2003) Belford Roxo (RJ)– aumento de erosão ao longo dasmargens em decorrência dodespejo de redes pluviais ecloacais - instabilidade nomaterial das margens/leitos.

Cicco e Arcova (1999) -dizimação e ocupação urbana daszonas ripárias - sistema radicularda vegetação - resistênciamecânica do solo e estabilizaçãodas margens – rugosidade.

Dunne e Leopold (1978) - os canais urbanos de 1ª ordemsão aterrados, canalizados ou desviados, minimizando oretardamento do escoamento superficial, repassando oproblema a jusante.

Chin (2006) notou que em 75% de várias áreas urbanas doplaneta houve alargamento de canais e do tamanho médio dossedimentos.

Amaral e Thomaz (2008) as áreas de alagamentos nacidade de Guarapuava são aquelas próximas ao centro dacidade - impermeabilização.

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