Introdução a Geometria hidráulica de canais fluviais

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 própria
que reflete na esculturação do relevo, sendo a geomorfologia
fluvial a ciência capaz de subsidiar uma análise consistente
desse sistema.
 A geomorfologia fluvial é definida como o estudo dos cursos
fluviais, as formas resultantes do escoamento das águas, as
características geológicas, hidrológicas, climáticas e de
ocupação do solo que condicionam o regime hidrológico.
(Guerra e Cunha, 2009).
 Nesse ínterim, o conhecimento da fisiografia fluvial (os
tipos de leito, os elementos da seção transversal, os débitos
fluviais, a rede de drenagem e os processos fluviais de
erosão, transporte e deposição) é de suma importância para
a 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 do
tempo/espaço na BH.
 A escala temporal varia desde o tempo “profundo” até o
tempo “recente” como da escala humana, com destaque para
as intervenções antrópicas que tem se acentuado a partir do
século XVIII.
 Também os sistemas
fluviais apresentam uma
diversidade espacial,
podendo ser constituídos
por áreas de drenagem /
rios de milhares de km
até áreas / rios de apenas
alguns metros.

 Na BH os canais se ajustam aos débitos que fluem por meio
de determinada seção.
 As suas dimensões são controladas pelo equilíbrio entre as
forças erosão / entalhamento e de deposição / agradação ao
longo das margens e leitos.
 Sua dinâmica também está atrelada ao ciclo hidrológico, que
por meio dos escoamentos superficiais e subterrâneos,
possibilitam o suprimento dos débitos fluviais
(CHRISTOFOLETTI, 1981).
 Com relação aos aspectos fisiográficos do canal, várias
pesquisas têm trabalhado com a geometria hidráulica, que
investiga a morfologia dos canais fluviais.
 É considerada como um modelo empírico, tendo como
vanguarda Leopold e Maddock (1953), objetivando analisar
as características de comportamento do canal.

 A geometria hidráulica considera que a vazão é uma variável
independente e dominante que age como modificadora dos
possíveis ajustamentos sofridos pelo canal fluvial.
 Portanto, o fluxo juntamente com o material sedimentar
(granulometria do material e a rugosidade do leito) são
elementos importantes na estruturação fisiográfica dos
canais fluviais.
 Os estudos da geometria hidráulica envolvem as variáveis da
seção 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 que
seus tributários são encontrados ocorre o aumento da área
de drenagem e acréscimo de sua vazão.
 Ao mesmo tempo, ocorrem mudanças na declividade, no
transporte de sedimentos, tipo de material do leito, entre
outras mudanças nas propriedades geométricas do canal
fluvial (LEOPOLD et al., 1992).

• Leitos Fluviais: se referem a uma feição morfológica com uma
dinâmica própria. Considerando a frequência das descargas e a
topografia dos cursos fluviais, são classificados de acordo com
o nível que ocupam na seção transversal (Guerra e Cunha, 2009).
• Dessa forma, ao longo da seção transversal há os leitos de
vazante, leito menor (cheia) e o leito maior (inundação),
correspondendo estes ao espaço ocupado pelo escoamento das
águas.
Tipos de leito de um canal fluvial

• O leito de mais fácil visualização é aquele ocupado pela vazão
fluvial de baixa magnitude, ou seja, o leito de vazante.
• Este se refere à calha onde o rio percorre a maior parte do
ano, sendo utilizado para o escoamento fluvial de pequeno
caudal, serpenteando entre as margens do leito menor,
acompanhando o talvegue.
• Fora deste, têm-se o leito menor também denominado de
calha 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 leito
maior (também denominado de calha secundária, área
marginal, planície de inundação, leito periódico ou sazonal,
planície aluvial ou várzea).

• Esse leito é ocupado pelas
inundações, que se trata de
enchentes extraordinárias
com longo período de
retorno (Enomoto, 2004;
Eckhardt, 2008).
Enchentes e Inundações
• O débito do canal fluvial é condicionado pelos processos
hidrometeorológicos que influencia na dinâmica do regime
fluvial ao longo do ano hidrológico.
• Há também outras condicionantes da BH como: geometria da
bacia, relevo/declividade, tipo de solo, cobertura vegetal,
capacidade e densidade de drenagem (TUCCI, 2000).
• Os canais fluviais apresentam uma dinâmica própria com
relação à variação dos níveis das águas e das respectivas
vazões ao longo do ano junto a uma determinada seção.

 O período em que o leito fluvial é ocupado pelas águas baixas
se refere ao débito fluvial de vazante, esse tipo de vazão
acompanha a linha de maior profundidade do canal (talvegue)
e ocorre na maior parte do ano (GUERRA, 1993). – (Figura a
seguir).
 Os termos enchentes e cheias possuem o mesmo significado,
correspondendo, portanto as mesmas magnitudes de vazões
fluviais, no entanto o termo inundação é diferente, apesar de
ser tomado frequentemente como sinônimo de enchente ou
cheia (FISRWG, 1998).
 Contudo, quando há o
acréscimo significativo da
vazão, surgem algumas
incertezas quanto aos
termos enchentes,
inundações e cheias.

 Kobiyama e Goerl (2011) salientam que: as palavras cheia e
enchente têm como origem o verbo encher, do Latim
implere, que significa: ocupar o vão, a capacidade ou a
superfície 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 suas
margens, contudo, sem transbordar nas áreas adjacentes, é
correto dizer que ocorre uma enchente.
 A partir do momento em que as águas transbordam, ocorre
uma inundação.
 As enchentes (ou cheias) referem-se a um fenômeno natural
que faz parte da dinâmica natural do curso fluvial.
 Estas ocorrem em períodos de
chuvas mais prolongados,
quando há um acréscimo da
descarga fluvial, permitindo
que o leito de vazante (ocupado
pelo rio a maior parte do ano)
seja extrapolado.

 Como decorrência disso o leito menor é todo preenchido pelo
débito fluvial, contribuindo para uma elevação temporária do
nível d’ água normal.
 Já a inundação em termos gerais, trata-se de um fluxo
relativamente alto que ultrapassa a capacidade do canal.
 Uma das características da inundação é o extravasamento
das águas da seção de margens plenas para as planícies
adjacentes, em virtude do débito ser superior a capacidade
de descarga da calha principal (leito menor).

• Enfim, tanto as enchentes como as inundações não são
necessariamente sinônimas de desastre, mas se referem a
processos hidrológicos dos ambientes lóticos.
• Esses eventos são por si só, fenômenos naturais que
apresentam certa regularidade (período de retorno), com uma
área de atuação ao longo dos rios.
• No entanto,
quando esses
têm sua adja-
cência ocupada
pelo homem,
os riscos e
desastres são
potencializa-
dos (Enomoto,
2004).

Seção Transversal
 Ao longo de uma seção transversal há
elementos geométricos de importância
básica para o estudo do sistema fluvial.
 A figura a seguir apresenta os principais
aspectos geométricos da seção transversal e
sua 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 fatores
relacionados à carga de detritos, suas dimensões médias,
quantidade, litologia, formas deposicionais e fluxo d’água.
• Quando as características das águas ou detritos são
alteradas por mudanças antrópicas; climáticas ou da
cobertura vegetal na BH, o sistema do canal se ajusta para um
novo conjunto de condições.
• A variação do ajuste do
canal favorece o avanço do
débito fluvial na direção
das planícies adjacentes ao
longo do leito principal
durante os eventos de
inundações (DUNNE e
LEOPOLD, 1978).

• À medida que se eleva o nível
das águas, há aumento da
velocidade e da força de
cisalhamento, promovendo o
entalhamento do canal.
• Inversamente, a diminuição gradativa no volume do fluxo vai
permitindo a deposição da carga sedimentar transportada
pelo rio, favorecendo a elevação do nível do leito.
Margens plenas (Bankfull)
• Na análise das seções transversais do canal fluvial uma das
características mais importantes se refere ao nível de
margens plenas.

 Segundo, Wolmam e Leopold (1957) o nível de margens plenas
corresponde a um plano horizontal no qual a descarga líquida
preenche na medida justa a seção do canal fluvial antes de
ultrapassar em direção à planície de inundação.
 Esse nível demarca o limite entre os processos fluviais que
modelam o canal e os que constroem a planície de inundação.

 Trata-se de um nível com grande significado
hidrogeomorfológico, sendo possível identificar em campo,
pois ao contrário do nível do fluxo fluvial as margens plenas
possuem certa “estabilidade”, sendo, portanto apropriado os
estudos que as levem em consideração.
 Umas das metodologias (há 11) muito usada para definição é
a análise da morfologia da seção transversal, definida como o
nível topográfico situado na parte superior do canal fluvial,
onde é nítida a formação da planície adjacente.
 A definição de margens
plenas é relativamente
simples, todavia quando se
busca interpretar sua
aplicabilidade/delimitação
em campo surgem muitas
dificuldades.

 Trata-se do nível superior do leito principal capaz de dar
suporte a vazão que preenche a capacidade total do canal
fluvial.
 Christofoletti (1981) defende que o tempo de retorno de
1,58 anos de intervalo no sistema fluvial, corresponde ao
estágio das cheias, sendo definido como o nível de margens
plenas.

Geometria hidráulica ao longo do perfil longitudinal fluvial
 Os métodos de trabalhos envolvendo a geometria hidráulica
podem ser estudados de duas maneiras: em determinada
seção transversal ou ao longo do perfil longitudinal do canal
fluvial / crono-corologia;
 Já a geometria hidráulica ao longo do perfil longitudinal
prevê a adaptação do tamanho e da forma do canal de
acordo com a variação da vazão ao longo do canal (montante-
jusante) (FERGUSON, 1986 apud GRISON, 2010).
 A primeira prevê as
mudanças na largu-
ra, profundidade e
velocidade com a
variação da vazão.

 Os canais fluviais com suas propriedades geométricas não
alteradas, tendem a manter certa proporcionalidade nas
variáveis contidas na seção transversal e no perfil
longitudinal.
 Os sistemas fluviais apresentam alguns elementos que
auxiliam no ajuste do canal como:
zonas ripárias;
rugosidade da
seção transversal;
sinuosidade
(meandros);
material de leito e
suspensão;
cobertura vegetal
do solo na BH,
entre outros.

• A análise da geometria
hidráulica ao longo do
perfil longitudinal em nível
de margens plenas é
valiosa para engenheiros
hidrólogos, geomorfólogos
e biólogos, que participam
dos processos de
restauração e proteção
dos rios (Fernandez,
2003).
• Leopold e Maddock (1953) colocam que a geometria hidráulica
ao longo do perfil longitudinal pode ser estabelecida a partir
da vazão em nível de margens plenas.
• A maneira como esses parâmetros variam no sentido
montante-jusante pode ser descrito pela geometria hidráulica
do canal (Charlton, 2008).

 Esses estudos
permitem inferir o
estado de ajuste dos
canais fluviais, sendo
essenciais para tratar
da dinâmica
envolvendo a vazão
fluvial e a descarga
de sedimentos.
 Os mesmos
possibilitam avaliar o
ajuste das
propriedades
hidráulicas fluviais,
principalmente, em
áreas urbanas.

Urbanização e o crescimento espacial urbano
Fenômeno na região tropical do planeta espontâneo
(Christofoletti, 1997 e Drew, 1994).
19
32
53
82
111
138
161
33
39 42 39 36
32 30
0
15
30
45
60
75
90
105
120
135
150
165
1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010
População(milhões)
Anos (década)
População Urbana
População Rural
Fonte: IBGE, 2010
Crescimentodapopulaçãourbanaeruralno
Brasilentre1950e2010

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 de
planejamento e o grau de
urbanização, sendo definido em três
etapas (Wolman, 1967):
• Fase I – estágio de equilíbrio sem
alterações significativas no
ambiente;
• Fase II – implantação da
infraestrutura urbana –
potencialização da produção de
sedimentos;
• Fase III – consolidação da
urbanização com predomínio de
superfícies impermeáveis.
I
II
III

Efeitos no sistema encosta/vertente
* Compactação;
* Impermeabilização;
“Alteração do equilíbrio hidrodinâmico das vertentes -
processo natural da precipitação - infiltração - percolação”.
Comportamentodofluxopluvialemáreas
naturaiseurbanizadas.

Efeitos nos sistemas fluviais
*Incremento significativo de água no fundo de vale -
Benetti e Bidone (2001) águas pluviais - efeito de lavagem
superficial que drena, impurezas e detritos das ruas e
pavimentos.
Alteraçõeshidrológicaspelaurbanização-Fonte:Marsh(1983);

Estudo de caso sobre efeitos urbanos em canais fluviais –
sedimentação/poluição de trechos fluviais
Wolman e Schick (1967) produção de sedimentos de
construções – assoreamento; sedimentos de orgânicos (galho,
pedaços de madeira, móveis e etc.) - entupimento das redes
de drenagem.
Graf (1975) Denver – EUA constatou que na “fase II” da
urbanização a produção de sedimentos aumentou em até
trinta vezes acima do normal.
Tucci e Braga (2000) consolidação urbana - redução na
produção da carga de sedimentos – incremento de materiais
tecnogênicos.

Inundações - de um fenômeno
natural para um artificial
 Aumento da frequência e
intensidade;
Ocorrência de desastres;
Efeitosnosistemafluvialdevido
aoavançourbano-Fonte:
AdaptadodeTucci(2003)

Estudo de caso – desajuste da morfologia fluvial
Bacia Hidrográfica do Rio Cascavel – Guarapuava PR

R² = 0,77
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5
Profundidademédia(m)
Área de drenagem (km²)
R² = 0,72
1.2
1.7
2.2
2.7
3.2
3.7
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5
Largura(m)
R² = 0,88
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5
Vazão(m³/s)
R² = 0,89
0.5
1.1
1.7
2.3
2.9
3.5
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5
Áreadaseção(m²)
Relações entre as propriedades geométricas do canal fluvial - área rural
A geometria hidráulica descreve a relação entre variáveis
contidas na seção transversal que se comportam de maneira
alométrica.

Coeficiente de correlação
R² = 0,488
1
3
5
7
9
11
13
15
17
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Áreadaseção(m²)
R² = 0,496
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Largura(m)
R² = 0,499
0
5
10
15
20
25
30
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Vazão(m³/s)
R² = 0,252
0.4
0.7
1.0
1.3
1.6
1.9
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Profundidademédia(m)
Relações entre as propriedades geométricas do canal fluvial - área urbana

 Construção de diques e
margens artificiais.
 Alargamento e
aprofundamento: alteração
das propriedades
geométricas da seção
transversal;
 Limpeza do canal:
declividade rugosidade;
 Retificação: suavização dos
meandros;
• Canalização – conjunto de obras de engenharia para
exportar os resíduos líquidos urbanos.

Petts e Amoros (1996) - sinuosidade natural é de 10 a 100
vezes a sinuosidade artificial;
Diminuição do Tc, erosão montante e jusante.
Variaçãodohidrogramaunitárioemrelaçãoao
graudasinuosidadefluvial-Fonte:NETTO,2004

 Dias-Oliveira et. al. (2010) Arroio Carro Quebrado /
Guarapuava – encontrou desajustes alometricos das
propriedades geométricas do canal retificados - não
proporcionalidade a jusante.
 Fernandez (2004) Marechal Cândido
Rondon - encontrou desajuste nas
relações entre a área da bacia e as
propriedades geométricas das
seções transversais.
 Vieira e Cunha (2006) Teresópolis-
RJ – encontrou desproporcionalidade
dos 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 engenharia
hidráulicas 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 ocupação
do solo (várzeas) - efeitos das inundações.
 instalação de estações de monitoramento da qualidade da
água 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 energia
na rede de drenagem, a fim de minimizar os impactos da
morfologia fluvial;

 Carmo (2003) Belford Roxo (RJ)
– aumento de erosão ao longo das
margens em decorrência do
despejo de redes pluviais e
cloacais - instabilidade no
material das margens/leitos.
 Cicco e Arcova (1999) -
dizimação e ocupação urbana das
zonas ripárias - sistema radicular
da vegetação - resistência
mecânica do solo e estabilização
das margens – rugosidade.
 Dunne e Leopold (1978) - os canais urbanos de 1ª ordem
são aterrados, canalizados ou desviados, minimizando o
retardamento do escoamento superficial, repassando o
problema a jusante.

 Chin (2006) notou que em 75% de várias áreas urbanas do
planeta houve alargamento de canais e do tamanho médio dos
sedimentos.
 Amaral e Thomaz (2008) as áreas de alagamentos na
cidade de Guarapuava são aquelas próximas ao centro da
cidade - impermeabilização.

Efeitosdaurbanizaçãonossistemasfluviaiseciclodaágua

Introdução a Geometria hidráulica de canais fluviais

Mais conteúdo relacionado

Mais procurados

Semelhante a Introdução a Geometria hidráulica de canais fluviais

Mais de Patrícia Éderson Dias

Último

Introdução a Geometria hidráulica de canais fluviais