Autores

Bennert, A. (UNIOESTE) ; Leli, I.T. (UNIOESTE) ; Stevaux, J.C. (UNESP - RC) ; Hayakawa, E.H. (UNIOESTE)

Resumo

Várias técnicas de pesquisa são utilizadas para compreender o fluxo de água em canais fluviais. O ADCP (Acustic Doppler Current Profile) é um equipamento muito utilizado para este fim. Possui um sistema de processamento simples e seus dados podem ser processados por outros programas. Através dos dados do ADCP, o VMT (Velocity Mapping Toolbox) possibilita processar e demonstrar as dimensões do canal em 3D. Deste modo, o programa VMT se faz importante por ser uma ferramenta capaz de processar e complementar variáveis como velocidade, vazão, backscatter, dentre outras. O objetivo deste estudo é apresentar resultados de processamentos possíveis com este software, com dados coletados com um ADCP RiverRay. A área de estudo compreende o trecho da confluência do rio Piquiri com o rio Paraná. Os resultados permitiram compreender a morfologia do leito, direção e velocidade do fluxo, comportamento do fluxo e a presença de fluxo secundário e distribuição da intensidade do sinal (Backscatter).

Palavras chaves

estrutura de fluxo; ADCP; fluxo secundário

Introdução

A maioria dos estudos que abordam canais fluviais contemplam, principalmente, a análise do comportamento da vazão, velocidade do fluxo e transporte de sedimentos no canal. Para tais análises, e compreensão destas variáveis, é utilizado de alguns equipamentos de leitura do canal, dentre os quais, o ADCP (Perfilador Doppler Acústico de Corrente) é um dos principais. O Serviço Geológico dos Estados Unidos (United States Geological Survey - USGS) utiliza do ADCP para análise e interpretação dos dados levantados desde o ano de 1990. Para o ano de 2010, aproximadamente 69% das medidas realizadas pelo instituto (USGS) foram feitas por meio do ADCP, das quais 82% foram realizadas em embarcação (GARCIA et al.,2012). O ADCP emite pulsos acústicos que são refletidos pelas partículas de sedimento suspenso na coluna de água (STEVAUX; LATRUBESSE, 2017). Através destes pulsos, o equipamento pode transmitir os dados de vazão, velocidade, material suspenso (Backscatter), dentre outros. As informações dos dados coletados são processadas por programas computacionais próprios de cada equipamento. O crescente uso deste equipamento na caracterização dos ambientes fluviais, resultou na necessidade de métodos de pós processamento de dados afim de potencializar a avaliação e análise (PARSONS et al., 2013). Com o objetivo de atender esta necessidade, o programa VMT (Velocity Mapping Toolbox – Ferramenta para Mapeamento de Velocidade) (PARSONS et al.,2013), possibilita o tratamento dos dados coletados com o ADCP. Disponibilizado em: http://hydroacoustics.usgs.gov/movingboat/VMT/VMT.shtml, o programa pode ser utilizado e compreendido através das ferramentas e formas de processamento dos dados no VMT apresentados por Parsons et al. (2013) e Engel e Jackson (2016). O programa é baseado em ambiente Matlab, e as informações processadas no programa podem ser exportadas em arquivos compatíveis com os programas AcGis; Tecplot e Google Earth. O programa permite visualizar gráficos 3D de velocidade, retorno do eco (Backscatter), direção do fluxo, e fluxo secundário, dentre outros (PARSONS et al., 2013; ENGEL; JACKSON, 2016). O VMT atualmente processa dados de ADCPs de diferentes fabricantes, como o RioGrande 600 e 1200 mhz, RiverRay, StreamPro, RiverPro, RioPro e, ainda dados de ADCP do Sontek M9 e S5 com processamento de dados do programa RiverSurvevyorLive (ENGEL; JACKSON, 2016). Possui uma interface intuitiva para acessar as ferramentas de processamento. Embora o uso do ADCP esteja continuamente se difundindo no Brasil ainda são poucos os estudos que contemplam a utilização do VMT para tratamento dos dados obtidos com o ADCP. A maior parte dos estudos pautados no uso do VMT ainda são internacionais, como por exemplo, a confluência de dois grandes rios em Illinois, Indiana (JOHNSON, 2017); a estrutura da turbulência em dois grandes rios confluentes (KONSOER e RHOADS, 2014); a confluência em meandros (RILEY, 2013); a estrutura de fluxo e leito em confluência de meandros (RILEY e RHOADS, 2012); a velocidade e estrutura turbulenta do fluxo em meandros (ENGEL e RHOADS, 2017), enquanto que no Brasil, o estudo sobre a confluência do rio Solimões e Negro, realizada por Nascimento (2016). Sendo assim, o objetivo deste estudo é difundir a aplicação e disponibilidade do programa VMT, como potencial de incremento no tratamento dos dados obtidos via ADCP.

Material e métodos

A área do estudo compreende a foz do rio Piquiri, precisamente a 3,5 km acima da foz no rio Paraná (Figura 1). Os materiais utilizados na atividade de campo realizado no dia 9 de dezembro de 2016 consistem de: computador portátil (notebook), equipamento ecossonda Furuno, modelo 1650 com GPS, e equipamento ADCP River Ray (Teledyne Rd Instruments – TRDI). A integração entre o computador e a ecossonda é possível pelo programa Fugawi. Realizou- se uma malha de perfis transversais (aproximadamente a cada 100 metros) e longitudinais (margens e centro do canal) a fim de obter os dados X, Y e Z para a obtenção da batimetria do canal. Para a obtenção dos dados via ADCP foi necessário o programa WinRiver II. Os dados referem-se a 4 perfis transversais na área do estudo. Os dados obtidos da ecossonda foram utilizados para o levantamento batimétrico do leito do canal, e o ADCP para obtenção dos dados de velocidade de fluxo e vazão. Os procedimentos para a obtenção da batimetria do canal incluem a interpolação dos dados batimétricos (X, Y e Z) obtidos pela ecossonda, sendo posteriormente exportados em arquivo de texto, e organizados no programa Excel. Posteriormente realizou-se os procedimentos prévios como verificação de outliers, se o conjunto amostral tem distribuição normal, se há uma tendência dos dados, distância média entre os pontos amostrais, para assim adotar o método de interpolação adequado, neste caso, o método de krigagem ordinária. A interpolação foi realizada no programa ArcGis. Os procedimentos referentes aos dados obtidos via ADCP foram: no programa WinRiver II exportou-se os dados no formato ASCII de cada uma das seções. Posteriormente os dados foram acessados e processados no programa VMT. Os produtos obtidos no VMT foram: perfis de velocidade transversal e retorno do eco (backscatter) de fluxo secundário para cada uma das quatro seções. Ao acessar os dados no VMT, o programa atribui valores automáticos para o início do processamento na janela cross section plot. Contudo, deve-se proceder com análise exploratória dos valores para encontrar os melhores limiares. Neste trabalho, os valores utilizados na janela cross section plot (seção transversal) foram para vertical exaggeration 6, vetor scale 0.6, horizontal vector spacing 4, vertical vector spacing 1, horizontal smoothing window 8 e vertical smoothing window 1. Salienta-se que os valores variam de acordo com as particularidades da área do estudo, como profundidade, largura do canal, dentre outros. Parsons et al. (2013) fornece demais explicações para a definição dos limiares e processamentos. A direção de fluxo foi obtida dos dados exportados do WinRiver II em formato ASCII. Esses dados foram acessados no VMT, sendo em seguida exportados no formato de arquivo Matlab (*.mat) para cada uma das seções. Posteriormente, todas as seções foram importadas integradas no VMT para o processamento conjunto das seções em relação à direção do fluxo. No processamento da direção do fluxo é necessário inserir métricas na janela plan view plot. Os valores são definidos por método exploratório, considerando as particularidades da área do estudo, e portanto, foram utilizados os seguintes: depth range (m) 0 to inf, vector scale = 1, vector spacing = 10, smoothing window size = 6. Também tem-se a opção de add background, ou seja, inserir uma imagem de fundo, neste caso, a imagem com a batimetria (Figura 1B). A imagem do background foi obtida com a interpolação dos dados de batimetria, sobreposta a uma imagem de satélite. Neste estudo, foi utilizada uma cena Landsat-8, sensor OLI, datada de 09 de agosto de 2015. A imagem de batimetria do canal obtida anteriormente é exportada em formato .tiff, mas agora sobreposta à cena Landsat. Em seguida, a imagem é acessada no programa VMT, e incorporada com a direção de fluxo. O resultado do processamento pode ser visto na figura 1B.

Resultado e discussão

A utilização do VMT auxiliou na obtenção de produtos referentes aos dados obtidos via ADCP, permitindo principalmente a caracterização e análise da área do estudo demonstrando o sentido do fluxo (Figura 1A, B). A batimetria do canal demonstra que o talvegue da área estudada está mais próximo da margem esquerda, com trechos de até 10 metros de profundidade. As menores profundidade estão localizadas na margem direita do canal com valores de 0 a 2 m aprofundando gradativamente à medida que avança para a margem esquerda. Nota-se que a montante (próximo da seção S4) as profundidades são menores, de 0 a 5 m e que o talvegue não é bem definido. A medida que avança a jusante (em direção a seção S3, S2 e S1) as profundidades aumentam gradativamente, alcançando até 10 m (exemplo: próximo da seção S3, onde o canal se abre em curva). A jusante da curvatura as profundidades são maiores na margem esquerda, formando um talvegue, com profundidade variando de 7 a 10 m (Figura 1 B). Esta configuração da batimetria apresenta o deslocamento do talvegue do rio Piquiri de montante a jusante. Na curvatura o talvegue está na margem esquerda local mais escavado (Figura 2). A representação da direção do fluxo obtido pelo VMT (Figura 1B) evidencia que próximo e a montante da seção S4, os vetores de direção seguem de forma uniforme, quase paralelos em relação às margens do canal, e com velocidade levemente maior próximo na margem esquerda. Na seção S3, os vetores de direção de fluxo atingem as margens do canal de forma oblíqua, sendo que a velocidade de fluxo é menor que na seção montante (S4). Nesta área, o canal passa a ter maior profundidade na margem esquerda. Na seção S2, a direção de fluxo continua atingindo a margem esquerda do canal, e a velocidade de fluxo maior que da seção S3. Na seção S1 tem-se o aumento da velocidade de fluxo e os vetores da direção de fluxo continuam atingindo obliquamente o canal. A curva do canal apresenta um ângulo de aproximadamente 35º, promovendo o redirecionamento obliquo do fluxo para a margem esquerda, que por sua vez, sofre desgaste erosivo. A dinâmica de fluxo nesta curvatura se assemelha a de um meandro. Stevaux e Latrubesse (2017) destacam que em meandros ocorre o deslocamento da linha de velocidade para a margem côncava, de modo que nesta margem a profundidade seja maior, gerando um padrão assimétrico da distribuição da velocidade. Mesmo, a curvatura de estudo não sendo de um meandro típico de ambiente aluvial, e escoando sobre leito rochoso, apresenta um comportamento bem similar de fluxo e escavamento de margem côncava. De modo geral, nota-se que em todos as seções as áreas de maior velocidade localizam-se praticamente no centro da seção, entre 1 e 3 metros de profundidade (Figura 2). Pormenorizadamente, na seção S1 a maior velocidade encontra-se concentrada a partir da metade da seção em direção a margem esquerda do canal, atingindo até 70 cm/s ou 0,7 m\s, a profundidade de no máximo 5 metros, e o leito é uniforme, sem talvegue definido. Na seção S2 nota-se que a área de maior velocidade de fluxo encontra-se próximo da área central do canal, tendendo para a margem direita. Diferente da seção anterior, neste próximo (S3) a direção de fluxo atinge obliquamente a margem esquerda e o canal deixa de ser retilíneo, a zona de maior velocidade encontra-se próximo a essa margem, a uma profundidade de aproximadamente 2 m. Na área central também se nota zonas de maior velocidade de fluxo. Esta seção apresenta profundidade máxima de 10 metros, com talvegue evidente na margem esquerda. Diferente das seções anteriores, na S4 a velocidade máxima está próxima a margem esquerda a uma profundidade de 2 m. Das seções S3 para S1, nota-se variação de velocidade de fluxo na margem esquerda. Esta variação é decorrente do atrito do fluxo com o leito e paredes do canal, levando ao escavamento da margem esquerda. Referente ao fluxo secundário (Figura 2), nota-se que a seção S4 apresenta movimento de fluxo secundário centrado em aproximadamente 125 m da margem direita. Próximo da margem esquerda do canal, a velocidade do fluxo secundário para essa seção é de 17 cm\s. Na seção S3 este comportamento é semelhante. O fluxo secundário localiza-se em aproximadamente 90 m da margem direita próximo do início da área de maior profundidade. Uma outra célula está próximo a margem esquerda do canal, a velocidade do fluxo secundário e maior de 30 cm\s. A seção S2 apresentou comportamento de fluxo secundário em praticamente toda a seção. A velocidade do fluxo secundário diminui nesta seção para 19 cm\s. Esta redução corresponde ao gasto com atrito do leito, ou seja, a ação de escavamento do leito do canal. A seção S1 a velocidade de fluxo secundário volta a aumentar para 30 cm\s, demonstrando fluxo secundário ao longo de toda a seção, iniciando a 50 m da margem direita e se estendo até a margem oposta. A distribuição da velocidade do fluxo em seções transversais está relacionada com a geometria da seção. Em perfis transversais os valores de velocidade são maiores nas áreas centrais, de modo que não sofram o atrito com as paredes do canal, leito e com o ar na superfície (STEVAUX; LATRUBESSE, 2017). No entanto, devido a geometria que o canal apresenta, as seções estudadas demonstram que este comportamento é voltado do centro para a margem esquerda, onde a profundidade do canal é maior. Morisawa (1968) salienta que qualquer irregularidade no leito pode provocar a separação do fluxo gerando redemoinhos. As irregularidades podem levar a formação de fluxos secundários, que são correntes verticais e laterais perpendiculares ao fluxo principal, podendo se sobrepor a este originando células de fluxo helicoidais. Em curvaturas podem ser direcionadas para fora da curvatura e, também em canais retos com espirais escalonadas para a profundidade maior (CHARLTON, 2008). Como as seções de estudo apresentam irregularidades no leito, é notada a presença de fluxo secundário. Os resultados de backscatter (retorno do eco) permitiram a determinação dos locais com maior e menor intensidade do sinal, que por sua vez representa maior quantidade de sedimento suspenso. De modo geral em todas as seções de estudo a intensidade do sinal é menor na superfície até aproximadamente 1m de profundidade (Figura 3). A intensidade do sinal também aumenta à medida que se aproxima do leito do canal, isto para todas as seções. As maiores concentrações estão próximas do leito e centralizadas para todas as seções. A possível explicação para a baixa intensidade do sinal na superfície está relacionada ao comportamento do fluxo secundário, que nas seções apresentam um comportamento descendente, com vórtices abaixo da superfície da água (Figura 3). Parsons et al. (2013) identificou comportamento semelhante para o rio Wabasch.

Figura-1: A: Localização da área de estudo. B: Apresenta a batimetria da curvatura, com direção do fluxo processado com o VMT.


Figura 2: Distribuição da intensidade da velocidade e vetores de fluxo secundário para as seções.


Figura 3: Distribuição da maior e menor intensidade do Backscatter (retorno do eco) para as seções.

Considerações Finais

O programa VMT ampliou as possibilidades de caracterização e análise da direção de fluxo, distribuição da velocidade, comportamento do fluxo secundário, e distribuição da intensidade do sinal (backscatter). Verificou-se que a direção e a velocidade de fluxo são alteradas com a mudança de sinuosidade do canal. O fluxo secundário apresenta um comportamento descendente da superfície para o leito e turbulento de uma margem a outra. O comportamento do fluxo secundário também está relacionado com o backscatter, uma vez que os menores níveis do sinal estão concentrados na superfície e aumentando de forma gradativa para o leito. O VMT é uma importante ferramenta para o estudo, análise e pós processamento de dados coletados em campo com ADCP. Com uma interface intuitiva e de relativo fácil manuseio, permite que o usuário processe uma maior gama de dados obtidos pelo ADCP.

Agradecimentos

À CAPES pela concessão de bolsas (mestrado para o primeiro autor e de pós- doutorado PNPD para a segunda autora), ao CNPq pelo financiamento do projeto Processo n. 472012/2014-2. Ao professor Dr. Mário Luís Assine pelo empréstimo do equipamento ADCP. Ao servidor da Unioeste Sr. Ademar da Silva por disponibilizar embarcação para realização do campo, ao doutorando Leandro Luz pelo apoio técnico e ao acadêmico Geovani Lima pelo auxílio em campo.

Referências

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