EVOLUÇÃO TEMPORAL DOS BANCOS MÓVEIS DE UM TRECHO DO RIO SÃO FRANCISCO COM USO DE SENSORIAMENTO REMOTO

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1. Instituto Alberto Luiz Coimbra de Pós-Graduação e Pesquisa de Engenharia – COPPE, da Universidade Federal do Rio de Janeiro – UFRJ, Programa de Engenharia Oceânica, Centro de Tecnologia, Bloco C, Sala 209. CEP 21.945-970 Rio de Janeiro, RJ. Fones: 55.21.2562-8741 e -

8755. E-mails: [email protected] ; [email protected]

EVOLUÇÃO TEMPORAL DOS BANCOS MÓVEIS DE UM TRECHO DO

RIO SÃO FRANCISCO COM USO DE SENSORIAMENTO REMOTO

Mario Grüne de Souza e Silva1 & Geraldo Wilson Júnior

1

RESUMO – Um problema de Engenharia de Sedimentos, que perdura desde o estudo de

DuBoys (1879), consiste da calibração e validação dos modelos analíticos e numéricos do

movimento de sedimentos. Vukmirović e Wilson-Jr [Wilson-Jr et al. (1980)] desenvolveram uma

metodologia onde estas etapas são realizadas com o uso de traçadores radioativos. A metodologia

foi aplicada com sucesso no Rio Ivai e algumas sub-bacias, no Noroeste do Estado do Paraná.

Posteriormente, Wilson-Jr (2009) propôs o estudo das evoluções morfológicas de bancos móveis,

com uso de Sensoriamento Remoto e do SIG. O estudo está sendo realizado num trecho do Rio São

Francisco, na fronteira dos Estados de Minas Gerais e Bahia. Neste artigo, mostram-se que: (i)

levantamentos topobatimétricos de trechos de rios podem ser reproduzidos com o uso de imagens

de satélite de média resolução (30 m), do tipo LANDSAT-5 TM. (ii) Estas imagens podem ser

usadas para a descrição da evolução temporal de bancos móveis e margens. A partir dos resultados

obtidos no Rio São Francisco, propõe-se a utilização de imagens de média e alta resolução ( 1 m),

para a medida do movimento de sedimentos, calibração e validação de modelos descritivos dos

Processos Sedimentológicos e Morfológicos em escoamentos com superfície livre.

ABSTRACT – A problem in Sedimentation Engineering, which endures since DuBoys’s studies

(1879), consists in the calibration and validation of analytical and numerical models of sediment

movement. Vukmirović and Wilson-Jr [Wilson-Jr et al. (1980)] developed a methodology where

these steps are performed with the use of radioactive tracers. This methodology was successfully

applied in the Ivai River and some sub-basins, in the Northeast of Paraná State. Afterwards,

Wilson-Jr (2009) proposed the study of the morphological evolution of movable banks, using

Remote Sensing and GIS. The study is being performed in a São Francisco’s River reach, in the

Minas Gerais and Bahia States border. In this paper, the following is shown: (i) topo-bathymetric

survey of river reaches can be reproduced via satellite images with medium resolution (30 m), such

as LANDSAT-5 TM. (ii) These images can be used for the temporal evolution description of

movable banks and margins. From the results obtained in the São Francisco River, the use of

medium and high resolution ( 1 m) images is proposed, for the measurement of sediment

movement, and for calibration and validation of the descriptive models of Sedimentological and

Morphological Processes on Open Channel flows.

Palavras-chave: Morfologia Fluvial, Rio São Francisco, Sensoriamento Remoto

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X Encontro Nacional de Engenharia de Sedimentos | 2

I. INTRODUÇÃO

Nos escoamentos com superfície livre ocorrem interferências de duas fases: a líquida,

contínua, regida pelas leis hidrodinâmicas da Mecânica dos Fluídos e a sólida, composta de

partículas de sedimentos que são transportadas por arraste em contato com o leito, ou em suspensão

no meio da corrente turbulenta [(Wilson-Jr., 2009)].

Quando a massa de sedimentos que penetra num trecho do escoamento for igual à massa

sólida que o deixa, num determinado período de tempo, diz-se que o equilíbrio sedimentológico

foi alcançado. A extensão do trecho e o período de tempo, que caracterizam este equilíbrio, definem

as escalas - espacial e temporal - do processo morfológico vigente no curso d’água. Em geral, nos

escoamentos fluviais, a escala temporal de equilíbrio é múltipla de um ano hidrológico. O perfil

longitudinal médio do trecho de rio ou canal, por exemplo, permanece estável, durante esse período

de tempo. Entretanto, nos trechos em equilíbrio, fenômenos morfológicos naturais de desequilíbrio

podem ocorrer durante um ano hidrológico, tais como: formação de bancos de areia e praias,

erosões, arrombamentos e derrocamentos, geração de configurações de fundo, formações de braços

mortos e meandros. Sub-trechos de desequilíbrios sedimentológicos também podem surgir e

progredir ao longo do trecho, cuja análise dependerá da escala espacial de observação.

Interferências antrópicas na calha do rio e na bacia hidrográfica somam-se a estes fenômenos,

e devem ser destacadas e controladas, pois são capazes de modificar as condições de equilíbrio do

trecho, com conseqüências graves para o Meio Ambiente e para os Projetos de Engenharia.

II. METODOLOGIA PARA O ESTUDO DOS PROCESSOS SEDIMENTOLÓGICOS E

MORFOLÓGICOS EM ESCOAMENTOS FLUVIAIS E ESTUARINOS

Os sedimentos são colocados em movimento ou tem seus movimentos alterados, pela ação

dos elementos naturais, tais como: chuvas, correntes, ventos, ondas, marés; e pela intervenção do

Homem, no leito do rio e na bacia hidrográfica, através de ações e obras, que se somam aos eventos

naturais, tais como: barragem, navegação, dragagem, mineração, rejeitos, desmatamento, irrigação,

esvaziamento de reservatórios, atividades esportivas, de lazer e turísticas (Figura 1). Em outras

palavras, os sedimentos são colocados em movimento ou têm seus movimentos alterados, sempre

que ocorrem alterações no leito do rio ou em sua bacia hidrográfica. Tem-se, então, dois tipos de

movimento sólido nos escoamentos fluviais:

1. Sedimentos originários do leito do rio, os quais se movimentam por arraste ou em

suspensão.

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2. Sedimentos oriundos da lavagem da bacia hidrográfica, em geral pelas chuvas, gerando o

movimento conhecido como do tipo wash-load. Estes últimos sedimentos são mais finos que os do

leito e são transportados em suspensão, ao longo do rio, por grandes distâncias.

É possível que exista, dependendo do caso estudado, uma relação não-linear entre a vazão

líquida do rio e a descarga sólida dos sedimentos do leito, do tipo:

snb qaq (1)

sendo qb igual à descarga sólida por unidade de largura, expressa em unidades de massa, força ou

volume por unidade de tempo; e q a vazão líquida, que pode ser expressa nas mesmas unidades.

a e ns >1, são constantes positivas, que dependem das características hidrossedimentológicas

do trecho do rio.

Figura 1 – Origens e Tipos de Movimento dos Sedimentos (Wilson-Jr., 2009)

O movimento sólido do tipo wash-load, que corresponde à resposta mais rápida do rio às

modificações ocorridas na bacia fluvial, relaciona-se diretamente com a perda de solo na superfície

drenada da bacia. Desta forma, para se estimar as descargas sólidas dos trechos dos rios, é

fundamental distinguir e conhecer as fontes de sedimentos que estão sendo transportados e

dispersos nos trechos estudados.

Há algumas décadas, Wilson Jr. (2009) tem se dedicado, através de ensaios em canais de

laboratório, córregos, ribeirões, rios e estuários, ao desenvolvimento de uma metodologia sobre o

movimento de sedimentos em escoamentos com superfície livre. Esta metodologia permite a

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aplicação simultânea de técnicas de medições topobatimétricas, hidrométricas, sedimentométricas;

o uso de traçadores (radioativos, químicos e fluorescentes); do Sensoriamento Remoto e do SIG.

De acordo com esta metodologia, para a descrição do movimento de sedimentos em cursos

d’água, são necessárias três etapas (Figura 2) (Wilson-Jr, 1999, 2009):

Conhecimento da bacia hidrográfica,

Medições na natureza do movimento sólido, num trecho representativo do escoamento, e

durante a realização dessas medições,

Determinação das características: hidrodinâmicas, sedimentológicas e hidrometeorológicas

dessa parte representativa da bacia hidrográfica.

Figura 2 – Movimento de Sedimentos em Escomentos com Superfície Livre

(Wilson-Jr, 1999, 2009)

II.1. Conhecimento da Bacia Hidrográfica

O conhecimento da bacia hidrográfica, bem como das sub-bacias representativas de cenários

específicos delimitados pelos empreendimentos, envolve o conhecimento das características

geográficas, geológicas, hidrometeorológicas, sedimentológicas, sócio-econômicas e históricas,

entre outras, que abrangem trabalhos em escritório, no campo e a interação com especialistas desses

temas específicos. Nesta etapa, os levantamentos aerofotogramétricos, as imagens satélites e as

técnicas de SIG são muito úteis. Elas permitem identificar as características fixas (topografia,

pedologia) e processar as características mutáveis (cobertura vegetal e tipo de solo) da bacia

contribuinte, as quais condicionam os aportes de água e sedimento (Centeno e Risso, 1991). Na

Figura 3, como ilustração do uso de técnicas de sensoriamento remoto, SIG, levantamentos

hidrológicos e topográficos, apresenta-se um esquema de elaboração de um mapa de

susceptibilidade à erosão de uma bacia hidrográfica (Moreira, 1991, Bertoni & Lombardi Neto,

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1993, Wilson-Jr, 2009). Trata-se da aplicação da Equação Universal de Perda de Solo (Equação 2),

através da qual a perda de solo, A, em unidade de massa por unidade de área da bacia hidrográfica é

calculada pela expressão:

PCSLKRA (2)

onde: A = Produção de sedimentos ou perda de solo, R = Fator de erosividade da chuva, K = Fator

de erodibilidade do solo, L = Comprimento de rampa ou de declive, S = Declividade de rampa ou

grau de declive, C = Fator de uso e manejo do solo, e P = Fator de práticas conservacionistas de

preservação do solo.

Figura 3 – Aplicação de Sensoriamento Remoto e SIG para o

conhecimento da bacia hidrográfica (Moreira, 1991, Wilson-Jr., 2009)

II.2. Campanhas de medições na natureza

É recomendável que as medições hidrossedimentológicas do curso d’água sejam realizadas

num trecho onde o escoamento seja praticamente uniforme e suas características hidrodinâmicas e

morfológicas representativas de uma grande extensão do escoamento, e que neste ou próximo deste

trecho, existam observações hidrossedimentométricas de vários anos. Entretanto, em muitos casos,

o trecho a ser estudado é imposto pelo próprio projeto: o estudo da erosão a jusante de uma

barragem, o assoreamento do reservatório de uma Usina Hidrelétrica, um trecho de bancos de areia

de difícil navegação, são alguns exemplos.

Para a quantificação do movimento sedimentar nesse trecho representativo da bacia

hidrográfica são necessárias três campanhas de medições superpostas: diárias, periódicas e

intensivas (Wilson-Jr, 1999).

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II.2.1. Campanhas de medições diárias

Consistem do registro ou leitura do nível d’água e da coleta de amostras de água, para a

determinação da concentração e granulometria do material sólido em suspensão. Os valores diários

do nível d’água e da concentração dos sedimentos em suspensão, juntamentes com os dados

pluviométricos e evaporimétricos da região, caracterizam o ciclo hidrológico do estudo.

II.2.2. Campanhas periódicas de medições

Devem ser realizadas em função das variações hidrometeorológicas, em complemento às

observações diárias. Consistem, entre outras, de: medições de velocidade e cálculo da vazão

líquida; monitoramento da erosão e assoreamento na bacia hidrográfica; coleta detalhada de

sedimentos em movimento por arraste; levantamentos topobatimétricos, incluindo determinações

das inclinações longitudinais da linha d’água e do leito, das marcas de cheias e inundação, registro

das formas de fundo e das características morfológicas do curso d’água e da bacia hidrográfica.

II.2.3. Campanhas intensivas de medições

Realizadas sob condições hidrológicas bem definidas; em geral durante o período das chuvas,

quando se prevê maior produção de sedimentos, ou durante o período de águas médias, quando se

tem um movimento sólido representativo das vazões geradoras do leito. Nestas ocasiões são

realizadas, ao mesmo tempo, as medições das campanhas precedentes, acrescidas de: topobatimetria

do trecho representativo, registro e evolução das configurações; e medições especiais da descarga

sólida do material do leito, as quais serão abordadas no decorrer deste trabalho.

II.3. Características hidrometeorológicas durante as medições na natureza

As informações obtidas durante as campanhas de medidas, especialmente durante a

Campanha de Medições Intensivas, são limitadas no tempo e a condições hidrometeorológicas bem

definidas, que precisam ser bem conhecidas, para que os dados possam ser extrapolados.

II.4. Medições Especiais do Movimento de Sedimentos: Uso das Técnicas de Sensoriamento

Remoto e do Sistema de Informações Geográficas – SIG.

Os resultados das campanhas de observações periódicas permitem que sejam obtidas relações

analíticas entre as grandezas hidráulicas e sedimentológicas, para o trecho representativo do rio. As

campanhas diárias permitem que essas relações sejam aplicadas ou estendidas ao(s) ciclo(s)

hidrológico(s) da série de medições. Mas, são os resultados das medições especiais que permitem

verificar (calibrar) e validar as expressões e modelos obtidos.

Esta metodologia foi desenvolvida no Brasil com emprego de traçadores radioativos e

levantamentos topobatimétricos como medições especiais. Ela foi aplicada com sucesso na Bacia

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Hidrográfica do Rio Ivai no Estado do Paraná (Wilson-Jr et al., 1980). Entretanto, como o uso de

radioisótopos em escoamentos com superfície livre tem se restringido aos Institutos de Energia

Nuclear, outros métodos tem sido cogitados para a medição direta dos movimentos dos sedimentos.

Neste trabalho considera-se a possibilidade de utilizar a técnica de Sensoriamento Remoto e o

SIG como medidas especias, juntamente com os levantamentos topobatimétricos, para calibração e

validação dos modelos. Cabe ressaltar, que esta técnica já vem sendo usada para o Conhecimento da

Bacia Hidrográfica, como esquematizado na Figura 2, precedente.

Os levantamentos topobatimétricos do trecho representativo fornecem dados qualitativos e

quantitativos sobre a morfologia da calha do rio, tais como as propriedades dinâmicas das

configurações de fundo, das zonas de erosão e deposição no leito e nas margens do rio.

A técnica de utilização de radioisótopos tem sido muito eficiente como critério seletivo e de

ajuste de fórmulas do movimento do material do leito. Nos trabalhos do Rio Ivai e sub-bacias

(Wilson Jr. et al., 1980), a metodologia permitiu que se selecionassem e se adaptassem as fórmulas

clássicas do movimento sólido, aos dados obtidos com sedimentos marcados e simulados com

radioisótopos. O uso de traçadores permite a determinação das características cinemáticas e

dinâmicas do escoamento e do sedimento. Fornecem dados seguros sobre: quantidades

transportadas; trajetórias e velocidades; tempos de trânsito em corpos d`água; circulação de líquidos

e sólidos; dispersão de sedimentos, e de poluentes líquidos e fixados nos sedimentos.

Borges (2004) e Borges et al. (2007) utilizaram o Sensoriamento Remoto para o estudo do

assoreamento do reservatório Morro Grande no Estado do Rio de Janeiro, utilizando uma imagem

de alta resolução IKONOS e os dados de levantamentos batimétricos, relacionados por meio do

método de krigagem Bayesiana. Os resultados mostraram uma boa correlação entre a imagem

IKONOS e as medições batimétricas, tendo o método de krigagem melhorado as estimativas

obtidas através dos métodos comuns de regressão estatística.

A análise de dados foi recomendada para: (i) a estimativa e monitoramento do assoreamento

em reservatórios e cursos d’água, e (ii) gestão de dragagens de manutenção de canais de navegação,

uma vez que os melhores coeficientes de correlação entre os valores oriundos da imagem e da

batimetria foram obtidos para os trechos de menor profundidade, ou seja, para os trechos mais

assoreados ou de baixios. A Figura 4 (Borges et al., 2007) mostra a imagem IKONOS e,

superposta, a batimetria estimada a partir desta imagem, que foi ajustada aos dados de campo.

Dando sequência ao trabalho de Borges et al. (2007), Wilson-Jr. (2009) propôs o estudo das

evoluções temporais e espaciais de bancos móveis e da morfologia de trechos de rios, com

utilização de Sensoriamento Remoto e SIG, para a calibração e validação dos modelos

morfodinâmicos do movimento de sedimentos.

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III. OBJETIVOS

Os objetivos principais deste trabalho são:

1.- Mostrar que os levantamentos morfológicos de um trecho do Rio São Francisco, incluindo

seus bancos móveis, podem ser realizados com o uso de imagens satélite de média resolução

(30 m) do tipo LANDSAT-5 TM, que são disponibilizadas gratuitamente pelo Instituto

Nacional de Pesquisas Espaciais - INPE, desde 1984.

2.- Utilizar estas imagens para a descrição da evolução temporal dos bancos móveis e margens do

trecho do rio.

3.- Propor a utilização de imagens LANDSAT-5 TM e de alta resolução ( 1 m) para a estimativa

do movimento de sedimentos num trecho de um escoamento com superfície livre.

4.- Propor a utilização destes valores para a calibração e validação de modelos qualitativos e

quantitativos do movimento de sedimentos em escoamentos com superfície livre.

IV. CARACTERIZAÇÃO MORFOLÓGICA DUM TRECHO DO RIO SÃO FRANCISCO

O Rio São Francisco nasce no Estado de Minas Gerais, na Serra da Canastra. Até a sua foz no

Oceano Atlântico, na divisa entre os Estados de Sergipe e Alagoas, percorre uma distância de

2.830km, drenando e banhando sete estados. Cerca de 2.000 km são (ou já foram!) navegáveis, de

modo que o rio é também responsável pelo escoamento da produção das regiões Sudeste, Centro-

Oeste e Nordeste do Brasil.

Apesar de parte significativa do rio atravessar a região do semi-árido brasileiro (Figura 5), o

Rio São Francisco é perene, devido principalmente, aos altos índices pluviométricos nas regiões

próximas à sua nascente. Por esta característica hidrológica, a maior parte da demanda hídrica das

águas do Rio São Francisco é utilizada para irrigação – 68% (ANA, 2004).

IV.1. Projeto de Irrigação Iuiú

O Projeto Básico de Irrigação Iuiú foi elaborado no ano 2000 e destina-se ao desenvolvimento

agrícola de uma área de 50.000 ha (500 km2), localizada a Sudoeste do Estado da Bahia (Figura 5),

na fronteira com o Estado de Minas Gerais, junto à foz do Rio Verde Grande. O investimento inicial

foi orçado em 400 milhões de reais, para uma estimativa de produção agrícola anual de 230 milhões

de reais e geração de 48.380 empregos (SONDOTÉCNICA, 2001).

(http://www.sondotecnica.com.br/cases.show.logic?cases.id=552).

A vazão líquida prevista para o Projeto Iuiú foi de 29,7 m3/s de água captada do Rio São

Francisco. Esta vazão líquida corresponde a 26% da demanda total para irrigação observada em sua

http://www.sondotecnica.com.br/cases.show.logic?cases.id=552

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bacia hidrográfica, até o ano de 2003 – 114,30 m3/s (Thomas, 2008). Por isto, o Projeto Iuiú foi um

dos maiores projetos brasileiros de irrigação, concebido até 2003. No período de seca em que foram

feitas as medições hidrossedimentológicas por Wilson-Jr. (2000), a vazão líquida medida foi de

1.045 m3/s. Conclui-se que a vazão do Projeto Iuiú pode superar o valor de 3,00 % da vazão mínima

do Rio São Francisco!

Figura 4 – Imagem IKONOS e batimetria

estimada do Reservatório Morro Grande.

(Borges et al., 2007)

Figura 5 – Região semi-árida da Bacia do Rio

São Francisco (ANA, 2004)

O trecho do projeto está localizado entre duas estações hidrossedimentométricas, Manga

(Código 44500000) 30 km a montante, no Estado de Minas Gerais, e Carinhanha (Código 4529800)

20 km a jusante, no Estado da Bahia, respectivamente (Figura 6). Ambas são controladas pela

ANA e possuem dados de vazões diárias, perfis transversais, cotas médias, descargas sólidas e de

qualidade de água. As medições de vazão líquida são registradas, em Manga desde 1932 e em

Carinhanha, desde 1927. Na Figura 6 do Rio São Francisco estão indicadas as cidades de Manga

(MG) e Carinhanha (BA), em cujas regiões portuárias se situam as estações de medições

hidrossedimentométricas, cujas séries de dados são divulgados através do Sistema de Informações

Hidrológicas - Hidro ([email protected]). Nesta figura, destacam-se o trecho de estudos para o

mailto:[email protected]

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Projeto de Irrigação Iuiú, as localizações na margem direita das alternativas de tomada d’água, e as

localizações dos bancos de sedimentos que foram analisados no período de 1985 a 2011.

Figura 6. Trecho do Projeto de Irrigação Iuiú: Localização das seções

alternativas de tomada d’água e dos bancos de sedimentos

IV.2. Aspectos Hidrossedimentológicos e Morfológicos do Trecho do Projeto Iuiú

O Projeto de Captação de Águas do Rio São Francisco representa uma interferência num

trecho de rio, cuja dinâmica sedimentar possui características especiais que ainda não são bem

conhecidas, qualitativa e quantitativamente. Como se trata de um trecho de 10 km de comprimento,

os processos sedimentológicos e morfológicos assumem importância local, e devem ser abordados

numa escala espacial de média ( 50 m) e/ou alta resolução ( 2 m).

Para a seleção da alternativa de tomada d’água e para os estudos hidrossedimentométricos

futuros, Wilson-Jr (2000) propôs a metodologia apresentada na Figura 2, da qual foram realizadas

partes da primeira e segunda etapas. Com relação à primeira etapa, denominada: Conhecimento da

Bacia Hidrográfica, além do estudo dos relatórios disponibilizados pela SONDOTÉCNICA,

ECOPLAN e LOUIS BERGER INT. (Wilson-Jr, 2000), foi realizada uma visita de campo à bacia do

Rio São Francisco, no trecho entre Manga (MG) e Carinhanha (BA), nos trechos inferiores dos Rios

Verde Grande e Carinhanha, e nas regiões portuárias de Malhada, Carinhanha e Manga. Como o

trecho representativo do Rio São Francisco foi imposto pelo projeto e é delimitado pelas estações de

medições de Manga e Carinhanha, aproveitou-se a viagem de campo para a realização, no trecho

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das alternativas, de uma campanha de medições especiais, envolvendo levantamentos hidros-

sedimentométricos, morfológicos e topobatimétricos, os quais estão descritos em Wilson-Jr. (2000).

IV.3. Bancos Móveis de Sedimentos

O trecho do Rio São Francisco, no local das alternativas de tomada d’água não é retílineo

(Figura 6). Suas seções transversais são assimétricas e, devido às variações de vazões líquidas

durante o ciclo hidrológico (Qmin 1.000 m3/s; Qmáx 12.000 m

3/s) pode-se observar in-situ e nas

imagens de satélites, tipos variados de configurações de fundo, ilhas e depósitos de sedimentos, que

possuem propriedades cinemáticas e dinâmicas próprias.

Durante os períodos de estiagem, os depósitos de sedimentos ficam emersos, possibilitando à

população ribeirinha o desenvolvimento de uma cultura de subsistência. Com a chegada das chuvas,

o nível d’água do rio se eleva, inunda e lava a maioria das plantações, modifica os bancos e ilhas,

retira e deposita sedimentos, fertiliza o solo, esculpi as margens, os leitos, bancos móveis, altera

antigas formas de fundo e cria novas. Ao mesmo tempo que as variações das forças hidrodinâmicas

modificam a calha do rio, o escoamento tem estas características modificadas pelas novas formas

modeladas em sua calha.

Durante a visita de campo de Julho de 2000, foram observados três bancos de sedimentos,

denominados Bancos 2, 4 e 6, enumerados de montante para jusante. Neste trabalho, com o auxílio

das técnicas de Sensoriamento Remoto, foram constatados, no período de 1985 a 2011, outros três

bancos móveis – Bancos 1, 3 e 5. A análise da evolução temporal destes seis bancos constitui um

dos objetivos principais deste trabalho.

V. USO DA TÉCNICA DE SENSORIAMENTO REMOTO

O estudo da evolucão morfológica do trecho do Rio São Francisco iniciou-se com a utilização

das imagens de satélite do tipo LANDSAT-5 TM, que, além de serem disponibilizadas imediata e

gratuitamente pelo INPE, se estendem por um período de 27 anos. As imagens do sensor TM

(Thematic Mapper) do LANDSAT-5 possuem uma resolução espacial de 30 m e cada imagem

cobre uma superfície do solo de 185 185 km2. O trecho de estudo do Rio São Francisco situa-se

na imagem de Órbita 219 e Ponto 70.

O primeiro objetivo do trabalho consistiu em verificar se a imagem LANDSAT-5 possui uma

resolução suficiente para reproduzir os contornos das margens e dos bancos de sedimentos do

trecho do Rio São Francisco, da área de interesse para Projeto de Irrigação Iuiú. Esta primeira parte

do trabalho foi denominada de Validação das Imagens LANDSAT e será descrita a seguir.

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V.1. Validação das Imagens LANDSAT-5 TM

Para a manipulação das imagens de satélite utilizaram-se três softwares: ENVI, Surfer e

AutoCAD. O primeiro para o tratamento das imagens e digitalização dos contornos do trecho e

bancos de sedimentos; o Surfer para a elaboração de mapas, cálculos geométricos e avaliação das

características morfológicas do trecho; e o AutoCAD foi utilizado para o ajuste das dimensões dos

mapas obtidos no campo e das imagens de satélite. A utilização dos três aplicativos tornou a análise

mais rápida, devido à experiência prévia do primeiro autor com o uso desses aplicativos.

As formas e contornos das margens e bancos determinadas através da imagem LANDSAT-5 e

do levantamento topobatimétrico de campo foram comparadas entre si, como apresentado na

Figura 7, a seguir. Utilizou-se a imagem do dia 11/07/2000, por ser a mais próxima do período do

levantamento de campo, que se estendeu de 06/07 a 09/07/2000 (Wilson-Jr., 2000).

Figura 7. Contornos das margens, ilhas e bancos de sedimentos

determinados em campo e por Imagem LANDSAT-5 TM.

Qualitativamente, os dois levantamentos apresentados na Figura 7 são semelhantes. No

entanto, é necessário comparar quantitativamente os resultados e determinar a precisão dos

levantamentos. A calibração do levantamento de campo foi realizada através da determinação, com

equipamento GPS (Global Positioning System), de áreas de polígonos conhecidos no terreno. A

precisão das coordenadas dos pontos obtidos no terreno variou de 1,0 a no máximo 3,0 m, inferior à

resolução da Imagem LANDSAT-5. A validação desta imagem foi feita comparando-se as áreas

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secas e molhadas do trecho do Rio São Francisco visto pelo satélite, com os valores obtidos no

campo. Os resultados estão apresentados na Tabela 1, a seguir:

Os resultados da Tabela 1 mostram que a discrepância máxima entre as áreas levantadas no

campo e determinadas a partir de imagem de satélite foi de aproximadamente 7%. Levando-se em

consideração a resolução espacial do GPS utilizado em campo, inferior a 3 m, e da imagem

LANDSAT-5 de 30 m, um erro máximo de 7% é perfeitamente aceitável. Assim, a partir desta

validação, concluiu-se que as Imagens de Satélite LANDSAT-5 TM podem ser utilizadas para o

estudo da evolução temporal das variações morfológicas do trecho do Rio São Francisco.

Tabela 1. Áreas Determinadas no Campo e da Imagem de Satélite LANDSAT-5 TM

V.2. Tratamento das Imagens LANDSAT-5 TM

V.2.1. Seleção das Imagens

Para se avaliar a evolução da morfologia do trecho do Projeto Iuiú, foram utilizadas 26

imagens de satélite, representativas da estação de estiagem, obtidas durante o período de 1985 a

2011, em datas (dia e mês) próximas às do levantamento topobatimétrico (06 a 09/07). Neste

período, somente o ano de 2002 não foi considerado no estudo, por não ter apresentado uma

imagem LANDSAT-5 adequada, durante a estação seca. Esse critério aumenta a probabilidade dos

níveis baixos d’água desses dias secos estarem próximos do nível d’água do ano 2000, permitindo

uma série de comparações preliminares entre as características morfológicas do trecho, incluindo

seus bancos de sedimentos. Numa fase posterior, serão feitas correções mais apuradas, levando-se

em consideração as séries de dados hidrométricos dos Postos de Manga e Carinhanha. No entanto, a

Figura 8, a seguir, foi elaborada com a finalidade de mostrar os valores das vazões diárias na

estação de Manga, nas datas em que as imagens de satélite foram obtidas. Na construção do gráfico,

para cada data de passagem do satélite, considerou-se o ano hidrológico precedente como sendo

responsável pelas modificações morfológicas anuais do trecho. Para cada ano foram apresentados

os percentis das vazões diárias registradas entre a data da imagem anterior e a data da imagem atual.

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Por exemplo, dado que a imagem do ano de 1985 foi obtida em 02/07/1985 e a de 1986 em

05/07/1986, na ordenada relativa ao ano de 1986 (Figura 8) estão apresentados os valores

estatísticos das vazões diárias registradas entre estas datas.

Nota-se que as vazões líquidas diárias registradas nas datas em que as imagens foram obtidas

(linha preta na Figura 8) correspondem ao período seco, com valores em torno de 1.000 m3/s. Esta

constatação viabiliza a comparação entre as características morfológicas do trecho e dos bancos de

sedimentos, através de imagens de satélite do rio, sujeito a regimes hidrodinâmicos semelhantes.

Figura 8. Dados Estatísticos de Vazões Líquidas do Rio São Francisco em

Manga, durante os períodos entre as Imagens de Satélite.

V.2.2. Georreferenciamento das Imagens

Apesar das imagens serem registradas pelo mesmo satélite, suas coordenadas geográficas

apresentam distorções entre si. Por isto, todas elas foram georreferenciadas em relação à imagem

LANDSAT do dia 11/07/2000, ano do levantamento topobatimétrico de campo. Para os

georeferrenciamentos foram utilizados cerca de 14 pontos notáveis, dispersos sobre a área das

imagens, mas com um maior número de pontos próximos ao trecho entre Manga e Carinhanha.

V.2.3. Redimensionamento das Imagens

Cada imagem LANDSAT-5 TM cobre uma superfície de 185 185 km2, necessitando de

aproximadamente 300 MB para seu armazenamento em disco rígido. Como a área de interesse para

o trabalho da Bacia do Rio São Francisco é bem menor que a da imagem de satélite, foram

delimitadas e extraídas das 26 imagens anuais, áreas idênticas do contorno do trecho do Projeto

________________________________________________________________________________


Iuiú, envolvendo as Estações de Manga e Carinhanha. Assim, foram obtidas 26 novas imagens,

georreferenciadas, com os mesmos limites definidos pelas coordenadas UTM, relativas ao Datum

WGS-84, Zona 23S: 619500 E, 8392200 S e 624500 E, 8401200 S.

O redimensionamento da área de trabalho reduziu o tamanho das imagens de 90%, tanto em

área coberta pela imagem, quanto em tamanho de informações (bytes), agilizando o armazenamento

e manipulação dos arquivos de dados.

V.2.4. Digitalização dos Contornos das Margens e Bancos de Sedimentos

Para calcular as características hidromorfológicas do trecho do Projeto Iuiú e dos bancos de

sedimentos, suas margens e contornos foram digitalizadas, a partir da composição das Bandas 3, 4 e

5 das imagens LANDSAT-5 TM. Criaram-se mapas anuais de mesmas dimensões, que foram

inseridos no Surfer e comparados entre si, qualitativa e quantitativamente. Como a comparação

visual entre os mapas é muito subjetiva, optou-se por determinar e comparar as áreas e perímetros

secos dos bancos emersos e as áreas molhadas do trecho do Rio São Francisco, na região de estudo.

As variações morfológicas anuais do trecho e dos bancos de sedimentos foram então estimadas.

V.2.5. Estudo das Imagens Anuais Redimensionadas

Inicialmente, para se verificar se as variações morfológicas eram significativas, adotou-se uma

discretização temporal de 5 anos, utilizando as imagens de 1985, 1990, 1995, 2000, 2005 e 2010.

Surpreendentemente, as imagens mostraram que, além dos três bancos que haviam sido constatados

no campo em 2000, haviam mais outros três bancos sedimentares no trecho, que apareceram em

algumas imagens e desapareceram em outras. Assim, uma discretização temporal mais refinada,

anual, mostrou-se necessária para a compreensão dos processos hidrossedimentológicos do trecho.

Na Figura 6, precedente, estão apresentados os bancos de sedimentos (ou ilhas) observados,

anualmente, durante o período de 1985 a 2011, no trecho do Rio São Francisco do Projeto Iuiú. O

comportamento destes bancos, durante estes 27 anos, será analisado a seguir.

VI. EVOLUÇÃO MORFOLÓGICA DO TRECHO DO RIO SÃO FRANCISCO

VI.1. Bancos Permanentes e Não Permanentes de Sedimentos

Da análise das imagens anuais constatou-se que alguns bancos de sedimentos são

intermitentes, enquanto que outros são permanentes. Constatou-se também que alguns bancos se

alongavam ou migravam para jusante, enquanto outros permaneciam na mesma posição, mas

apresentavam modificações morfológicas anuais.

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Os Bancos 2, 4 e 6 da Figura 6 são permanentes, pois estiveram presentes em todas as 26

imagens analisadas. O Banco 1 também pode ser considerado permanente, embora só tenha

alcançado a área delimitada do Projeto Iuiú, no ano 2001. Antes deste ano, o banco se situava fora

dos limites dos mapas, mas como o Banco 2, tem se prolongado, desde então, para jusante.

Os Bancos 3 e 5 representam depósitos móveis intermitentes, comuns em alguns rios

brasileiros das Bacias Amazônica e do Prata, que surgem durante alguns anos, geralmente após os

períodos de cheia, mas que são erodidos gradualmente durante os períodos subsequentes, de níveis

mais baixos de água. O Banco 3 só esteve presente durante os anos de 1990 e 1991, enquanto o

Banco 5 surgiu durante os anos de 1987, 1989, de 1993 a 1996, novamente em 1998, 1999 e 2001.

Um grande desafio, e, consequentemente uma grande motivação para continuação dos estudos

morfodinâmicos do Rio São Francisco, consiste em explicar analiticamente as formações e

desaparecimentos destes bancos móveis. Certamente, a aplicação da metodologia esquematizada na

Figura 1 permitirá progredir neste sentido.

VI.2. Equilíbrio Sedimentológico do Trecho do Rio São Francisco

Segundo Einstein, H. A. [Vieira da Silva & Wilson-Jr. (2005)] um trecho de um escoamento

com superfície livre encontra-se em equilíbrio sedimentológico quando a quantidade de sedimentos

que entra no trecho a montante, é igual à quantidade de sedimentos que o deixa a jusante, num

mesmo período de tempo.

Chamando-se o somatório das áreas emersas dos seis bancos de sedimentos em cada imagem,

de Área Seca; e o complemento deste somatório em relação ao domínio delimitado do trecho do Rio

São Francisco, de Área Molhada, pode-se estimar o comportamento sedimentológico do trecho. Os

resultados estão apresentados na Figura 9, a seguir.

Percebe-se que houve aumento da Área Seca, e consequentemente, uma diminuição da Área

Molhada, no decorrer dos 27 anos. Esta constatação, embora ainda sujeita a tratamentos

quantitativos mais aprofundados, indica que o trecho do Projeto de Irrigação Iuiú não se encontra

em equilíbrio sedimentológico e apresenta uma tendência ao assoreamento. O valor estimado do

assoreamento foi de cerca de 7,70 % em relação ao valor registrado em 1985.

Os gráficos da Figura 9 permitem acrescentar que: (i) as vazões líquidas nos dias das

passagens do satélite, oscilaram em torno de 1.000 m3/s, valor frequente durante o período de

estiagem na região. (ii) Nos anos em que as vazões líquidas se distanciaram deste valor, as áreas

molhada e seca acompanharam a variação, direta e indiretamente, o que evidencia a sensibilidade

dos contornos definidos pelas imagens, embora estas tenham uma resolução de apenas 30 m.

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(* Vazões médias diárias registradas no dia das passagens do Satélite LANDSAT-5)

Figura 9. Evoluções Temporais das Áreas Secas e Molhadas em

Relação às Áreas do Trecho do Projeto Iuiú, no Rio São Francisco

VI.3. Comportamento Morfológico dos Bancos de Sedimentos

O assoreamento do trecho do Rio São Francisco fica mais evidente quando se analisa as

variações temporais da área seca de cada um dos bancos de sedimentos. A Figura 10, a seguir,

mostra as variações anuais das áreas secas dos seis bancos. A apresentação dos bancos foi feita em

ordem crescente de valores de áreas secas em relação à área total do trecho de estudo, de modo que

os maiores valores ficassem no fundo da figura e não escondessem os valores dos bancos menores.

Figura 10. Evoluções Morfológicas dos Bancos de Sedimentos do Trecho do Rio

São Francisco no Período de 1985 a 2011

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Considerando-se as variações morfológicas dos bancos de sedimentos ilustradas nas Figuras

9 e 10, assim como as constatações de campo de Wilson-Jr. (2000), destacam-se as seguintes

observações:

1. O Banco 1 foi caracterizado como permanente, embora tenha sido identificado somente a

partir de 2001, quando começou a se deslocar dentro dos limites dos mapas. De 2001 a 2009

apresentou um crescimento gradativo anual, que se estabilizou em torno de 1,3% da área total.

2. Os moradores ribeirinhos consideram a margem direita do trecho do Rio São Francisco

estável em relação à margem esquerda (Wilson-Jr., 2000). De fato, além de sua margem ser

mais elevada, o lado direito do rio apresenta somente um banco de sedimentos, o Banco 2,

formado na foz do Rio Verde Grande. No período de 1985 a 1998, constatou-se um

crescimento gradativo desta barra, para jusante, no interior do Rio São Francisco. Nos anos

subsequentes, ela se manteve praticamente estável, ocupando 10% da área total do trecho.

3. Os Bancos 3 e 5 surgiram em épocas distintas no trecho e desapareceram nos anos seguintes.

O Banco 5 permaneceu durante o período de 1993 a 1996, e sua última aparição foi no ano de

2001. Os comportamentos destes bancos estão sendo analisados. Eles podem estar

relacionados com as características hidrológicas do rio, com a operação da UHE de Três

Marias e com as dragagens de manutenção da Hidrovia do Rio São Francisco, cujo canal de

navegação se situa nas partes central e entre o centro e a margem direita do escoamento.

4. Os Bancos 4 e 6 são permanentes e clássicos em trechos semelhantes ao do Projeto Iuiú

(Wilson-Jr, 2000; Yang, 1996). Apresentaram um crescimento gradativo até o início do século

e se mantiveram com áreas secas aproximadamente constantes até 2011, com valores

percentuais em relação à área do trecho em torno de 2,5 % e 8,0 %, respectivamente.

5. Com relação às margens, nenhuma alteração significativa foi constatada durante os 27 anos!

VII. CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES

O uso das técnicas de Sensoriamento Remoto e do Sistema de Informações Geográficas

constitui uma ferramenta essencial para os estudos dos Processos Sedimentológicos e Morfológicos

em escoamentos com superfície livre. Em lugar de uma visão instantânea da margem do trecho das

estações de medições, portanto limitada no tempo e no espaço, o observador possui uma visão

ampla e detalhada da bacia hidrográfica, do trecho do rio e até do leito do escoamento.

As imagens de média e alta resolução permitem detetar as zonas de produção de sedimentos e

aplicar as Equações Universais de Perda de Solo. Permitem também, descrever a história da

ocupação da bacia hidrográfica, relacionando no tempo, os tipos de solo, as principais intervenções

e mudanças da paisagem, e os fatores de perda de solo.

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Os objetivos propostos neste trabalho foram alcançados.

Primeiramente, mostrou-se que essas imagens, que são disponibilizadas em tempo recorde

pelo INPE, descrevem com precisão da ordem de 7% as dimensões e posicionamentos dos bancos

de sedimentos de escoamentos do porte do Rio São Francisco. Juntamente com os métodos

hidrossedimentométricos e topobatimétricos, permitirão a calibração e validação dos modelos

quantitativos do movimento de sedimentos em escoamentos com superfície livre. A metodologia

apresentada por Wilson-Jr & Vukmirović (1980) com uso de traçadores radioativos será adaptada

aos resultados obtidos do tratamento das imagens de satélite.

Borges (2004) utilizou imagens de alta resolução IKONOS para reproduzir a batimetria do

reservatório Morro Grande no Estado do Rio de Janeiro. O tratamento adotado mostrou um grande

potencial para ser aplicado: (i) na estimativa e monitoramento dos depósitos de sedimentos em

reservatórios e cursos d’água de profundidades inferiores a 10 m, e (ii) na gestão de operações de

dragagens de manutenção de canais de navegação, uma vez que os melhores resultados foram

obtidos para os trechos mais assoreados ou de baixios.

Finalmente, mostrou-se que as Imagens de Satélite LANDSAT-5 TM podem ser utilizadas

para o estudo da evolução temporal das variações morfológicas de um trecho de rio. Estas imagens

foram utilizadas para descrever a evolução temporal, durante 27 anos, de bancos de sedimentos e

margens de um trecho de 10 km do Rio São Francisco.

Recomenda-se que as técnicas de Sensoriamento Remoto e SIG, sejam introduzidas nas etapas

da Metodologia do Estudo do Movimento de Sedimentos, como sugerido na Figura 1 deste

trabalho, ou seja para o Conhecimento da Bacia Hidrográfica, e como medição especial dos

Processos Sedimentológicos e Morfológicos, pois permitem a calibração e validação dos modelos

qualitativos e quantitavos do movimento de sedimentos em escoamentos com superfície livre.

Agradecimentos

Os autores expressam os mais sinceros agradecimentos ao PENO/COPPE/UFRJ, CAPES,

FAPERJ e CNPQ, pelos apoios institucional e financeiro recebidos, e, em especial ao Eng. Geraldo

Godinho Pinto pelos levantamentos de campo e ao Dr. José Otávio Goulart Pecly pelo apôio no

tratamento das imagens de satélite, sem os quais não teria sido possível a realização deste trabalho.

BIBLIOGRAFIA

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Bayesiana. Estudo de Caso: Reservatório Morro Grande, Rio de Janeiro. Dissertação de M.Sc.,

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d) Artigo em anais de congresso ou simpósio

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f) Site Internet

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EVOLUÇÃO TEMPORAL DOS BANCOS MÓVEIS DE UM TRECHO DO RIO SÃO FRANCISCO COM USO DE SENSORIAMENTO REMOTO

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