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

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 Júnior1 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

_____________________________________________________________________________________________________________________ 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]

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.

________________________________________________________________________________ X Encontro Nacional de Engenharia de Sedimentos | 2

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:

qb  a q n s

(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 ________________________________________________________________________________ X Encontro Nacional de Engenharia de Sedimentos | 3

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, ________________________________________________________________________________ X Encontro Nacional de Engenharia de Sedimentos | 4

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:

A R K L S C P

(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). ________________________________________________________________________________ X Encontro Nacional de Engenharia de Sedimentos | 5

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 ________________________________________________________________________________ X Encontro Nacional de Engenharia de Sedimentos | 6

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. ________________________________________________________________________________ X Encontro Nacional de Engenharia de Sedimentos | 7

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, CentroOeste 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 ________________________________________________________________________________ X Encontro Nacional de Engenharia de Sedimentos | 8

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 5 – Região semi-árida da Bacia do Rio São Francisco (ANA, 2004) Figura 4 – Imagem IKONOS e batimetria estimada do Reservatório Morro Grande. (Borges et al., 2007) 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

________________________________________________________________________________ X Encontro Nacional de Engenharia de Sedimentos | 9

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 ________________________________________________________________________________ X Encontro Nacional de Engenharia de Sedimentos | 10

das alternativas, de uma campanha de medições especiais, envolvendo levantamentos hidrossedimentométricos, 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 m3/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.

________________________________________________________________________________ X Encontro Nacional de Engenharia de Sedimentos | 11

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 ________________________________________________________________________________ X Encontro Nacional de Engenharia de Sedimentos | 12

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. ________________________________________________________________________________ X Encontro Nacional de Engenharia de Sedimentos | 13

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 ________________________________________________________________________________ X Encontro Nacional de Engenharia de Sedimentos | 14

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.

________________________________________________________________________________ X Encontro Nacional de Engenharia de Sedimentos | 15

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.

________________________________________________________________________________ X Encontro Nacional de Engenharia de Sedimentos | 16

(* 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

________________________________________________________________________________ X Encontro Nacional de Engenharia de Sedimentos | 17

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. ________________________________________________________________________________ X Encontro Nacional de Engenharia de Sedimentos | 18

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 a) Livro BERTONI, J.; LOMBARDI NETO, F. (1993). Conservação do Solo. Cone Ed., 3ª ed., São Paulo, 355 p. VIEIRA DA SILVA, R.C.; WILSON-JR, G. (2005). Hidráulica Fluvial. Vol. II, Ed. COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro, 255 p. ________________________________________________________________________________ X Encontro Nacional de Engenharia de Sedimentos | 19

YANG, C.T. (1996). Sediment Transport: Theory and Practice. The McGraw-Hill, NY, 396 p. b) Artigo em Revista DUBOYS, M. P. (1879). Calculation of Suspended Load Discharge from Velocity Concentration Parameters, Proceedings of Federal Interagency Sedimentation Conference, U.S. Department of Agriculture, Miscellaneous Publication no 970. c) Tese e Dissertação BORGES, F.S.P. (2004). Estimativa de Batimetria Utilizando Sensoriamento Remoto e Krigagem Bayesiana. Estudo de Caso: Reservatório Morro Grande, Rio de Janeiro. Dissertação de M.Sc., COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro, RJ. THOMAS, P.T. (2008). Proposta de Cobrança pelo Uso das Águas Transportadas da Bacia do Rio São Francisco. Dissertação de M.Sc., COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro, RJ. d) Artigo em anais de congresso ou simpósio BORGES, F.S.P., ROTUNNO FILHO, O.C., WILSON-JR., G. (2007). Estimate of Open Channel Flow Bathymetry Using Remote Sensing and the Bayesian Kriging Method. ICGRHWE’07/ FM25’07. Guangzou, Three Gorges, China. CENTENO, J.A.S., RISSO, A. (1991). Sistema de Informações Geográficas, Base de Dados para a Engenharia de Sedimentos. I ENES, Ouro Preto, Minas Gerais, pp. 64-67. MOREIRA, C.V.R. (1991). Estudos de Erosão Acelerada na Bacia do Rio Doce. I ENES, Ouro Preto, Minas Gerais, pp. 36-39. WILSON-JR., G. (1999). Estudo do Movimento Sedimentar em Escoamentos com Superfície Livre. XIII Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos: Água em Quantidade e Qualidade, o Desafio do Próximo Milênio, Belo Horizonte, Minas Gerais. WILSON-JR., G. (2009). Evolução Morfológica de Trechos Hidroviários. 6º Seminário de Transporte e Desenvolvimento Hidroviário Interior. Rio de Janeiro. WILSON-JR., G., VUKMIROVIĆ, V. (1980). Sediment Transport on the Ivai River, Brazil. Symposium on River Engineering and Its Interaction with Hydrological and Hydraulic Research. IAHR. Belgrade, Yugoslavia. e) Relatório Técnico ANA/GEF/PNUMA/OEA. Projeto de Gerenciameno Integrado das Atividades Desenvolvidas em Terra na Bacia do São Francisco, Subprojeto 4.5C – Plano Decenal de Recursos Hídricos da Bacia do Rio São Francisco – PBHSF (2003-2013). Síntese do Resumo Executivo do PBHSF com Apreciação das Deliberações do CBHSF. Brasília, 2004. 150 p. WILSON-JR., G. (2000). Estudos Hidráulicos e Sedimentológicos Referentes às Alternativas de Tomada d’Água do Rio São Francisco para o Projeto de Irrigação Iuiú. Fundação COPPETEC PENO-1825/UFRJ. Vol. 1, 198 p. il. Rio de Janeiro. WILSON-JR., G., RODRIGUEZ, H.T., SANTOS, J.S. (1980). Estudos Hidráulicos e Sedimentológicos Realizados no Trecho Inferior do Rio Ivai. Noroeste do Estado do Paraná. OEA: Projeto Hidrologia. CBTN, ARH, SVOP. Estado do Paraná (1974-1980). f) Site Internet Hidro ([email protected]). URL: http://www.sondotecnica.com.br/cases.show.logic?cases.id=552

________________________________________________________________________________ X Encontro Nacional de Engenharia de Sedimentos | 20