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Efeito da salinidade sobre a velocidade de queda de

sedimentos finos de uma bacia portuária

Caso de estudo: Marina do Parque das Nações

Susana Santos Serra Carrilho Ramos

Dissertação para obtenção do Grau Mestre em

Engenharia Civil

Júri

Presidente: Prof. Dr. António Jorge Silva Guerreiro Monteiro

Orientador: Prof. Dr. António Alexandre Trigo Teixeira

Orientador: Dr. Luís Ivens Ferraz Saavedra Portela

Vogais: Prof.ª Dr.ª Maria Clara Henriques Baptista Gonçalves

Prof. Dr. António Alberto Pires Silva

Fevereiro 2013

Efeito da salinidade sobre a velocidade de queda de sedimentos finos de uma bacia portuária

I

Resumo

A queda de sedimentos finos numa bacia portuária pode levar à obstrução e encerramento da

mesma. Os custos de manutenção para reduzir o assoreamento são elevados, uma vez que

leva à realização de dragagens frequentes. É necessário ter em conta o comportamento dos

sedimentos finos no projecto das bacias portuárias, estudando medidas que mitiguem essa

deposição à entrada e no interior das mesmas.

Pretende-se com este trabalho estudar o efeito da salinidade na velocidade de queda dos

sedimentos finos e verificar se se trata de um factor que se deve considerar nas medidas de

mitigação. Uma vez que uma boa parte das bacias portuárias se encontram em estuários, o

gradiente de salinidade é significativo, alterando densidades, correntes e características do

meio liquido. Trata-se de um factor que pode ser importante a ter em conta no projecto de uma

bacia, como uma medida de mitigação na deposição de sedimentos finos.

Inicia-se o trabalho com uma introdução sobre o comportamento dos sedimentos finos nos

estuários, explicando os motivos da deposição, bem como as características destes e o modo

como estas são facilmente influenciadas pelas condições do meio liquido. De seguida

apresenta-se o caso de estudo que se vai utilizar para o estudo do efeito da salinidade,

descrevendo os problemas dessa bacia portuária e as manutenções a que foi sujeita. Depois

do enquadramento, segue-se a análise e estudo laboratorial de uma amostra de sedimentos

colhida na bacia com recurso a uma coluna de sedimentação, apresentando-se os resultados

do efeito da salinidade na deposição dos sedimentos.

Palavras-chave: sedimentos finos, salinidade, floculação, assoreamento em bacias portuárias.


III

Abstract

Sedimentation in a harbour basin can lead to its obstruction and its closure. Maintenance costs

to reduce sedimentation are high, since it requires much regular dredging. Therefore, during the

design of port basin, sedimentation is a factor that should be taken into account, implementing

mitigation measures can reduce settling at the basin’s entrance and in the inner part.

The purpose of this thesis is studying the salinity effect on the settling velocity of the sediments

and verifying whether should be considered as an important factor in the mitigation’s measures.

Due to most of harbour basins be located in estuaries, a significant salinity gradient is

generated, inducing densities, water flows and water characteristic differences.

This work begins by introducing the sediment behaviour in estuaries, explaining the reasons of

deposition, describing their characteristics and how they are strongly influenced by the liquid-

based conditions. Then it provides an analysis of the effects salinity on a case study, Marina do

Parque das Nações. A description of the problems affecting the basin and the decisions applied

to solve them are also displayed. In the end, laboratory analysis, results and conclusions on

how the salinity effects the settling of velocity are presented.

Keywords: cohesive sediments, salinity, flocculation, harbour siltation.


V

Agradecimentos

Ao Professor Trigo Teixeira, pela disponibilidade, paciência e conhecimento transmitido.

Ao Doutor Luís Portela, pela grande ajuda nas decisões e conclusões da análise laboratorial e

pelo apoio no LNEC

À Professora Clara Gonçalves, pela disponibilidade e pelos esclarecimentos prestados sobre

sedimentos coesivos.

À Doutora Anabela Oliveira e ao Instituto Hidrográfico, por disponibilizarem o laboratório e

outros espaços para a realização do trabalho.

Ao Senhor Engenheiro Vilar Filipe, pelos esclarecimentos sobre as obras já decorridas na

Marina do Parque das Nações.

À Doutora Susana Couto, pela disponibilidade prestada na execução da análise mineralógica

da amostra.

À Doutora Paula Freire, pela ajuda e explicação na análise granulométrica.

Ao Senhor Fernando Brito, pela ajuda no tratamento da amostra e na execução do trabalho

experimental, bem como no esclarecimento de dúvidas de alguns materiais.

Ao meu namorado João, pela ajuda na revisão do português e pelo apoio ao longo do trabalho.

À minha irmã Mafalda, pela ajuda na revisão do inglês e pela disponibilidade, sempre pronta a

ajudar.

À minha restante família e a grandes amigos, por me incentivarem, apoiarem e acompanharem

durante todo o meu trabalho.

A todos um grande Obrigado!


VII

Índice Geral

Resumo .......................................................................................................................................... I

Abstract ........................................................................................................................................ III

Agradecimentos............................................................................................................................. V

Simbologia .................................................................................................................................. XV

1 Introdução ................................................................................................................................ 1

1.1 Considerações gerais ....................................................................................................... 1

1.2 Objectivos da dissertação ................................................................................................ 1

1.3 Organização da dissertação ............................................................................................. 1

2 Assoreamento de bacias portuárias ......................................................................................... 3

2.1 Introdução ......................................................................................................................... 3

2.2 Distribuição de sedimentos em estuários ......................................................................... 3

2.2.1 Assoreamentos de bacias portuárias nos estuários ................................................. 4

2.3 Consequências e medidas de minimização. .................................................................... 4

2.4 Conclusões ....................................................................................................................... 6

3 Propriedades dos sedimentos finos ......................................................................................... 7

3.1 Introdução ......................................................................................................................... 7

3.2 Constituintes e as suas propriedades .............................................................................. 7

3.3 Causas da sedimentação ................................................................................................. 8

3.3.1 Mecanismos de colisão ............................................................................................. 9

3.3.2 Mecanismos de coesão e agregação...................................................................... 11

3.4 Velocidade de sedimentação ......................................................................................... 13

3.5 Efeito da salinidade na velocidade de sedimentação .................................................... 14

3.6 Conclusões ..................................................................................................................... 16

4 Caso de estudo: Marina do Parque das Nações ................................................................... 17

4.1 Introdução ....................................................................................................................... 17

4.2 Caracterização da localização........................................................................................ 17

4.3 Obras e modificações da marina .................................................................................... 18

4.4 Abordagem experimental proposta ................................................................................ 20

4.5 Conclusões ..................................................................................................................... 21

5 Trabalho Experimental: Efeito da salinidade na marina do Parque das Nações .................. 23

VIII

5.1 Introdução ....................................................................................................................... 23

5.2 Recolha e preparações prévias da amostra ................................................................... 23

5.3 Caracterização da amostra ............................................................................................ 24

5.3.1 Análise mineralógica ............................................................................................... 24

5.3.2 Análise granulométrica ............................................................................................ 30

5.3.3 Determinação da matéria orgânica ......................................................................... 34

5.4 Ensaios na coluna de sedimentação .............................................................................. 35

5.4.1 Descrição do equipamento ...................................................................................... 35

5.4.2 Preparações dos ensaios ........................................................................................ 37

5.4.3 Ensaios experimentais ............................................................................................ 39

5.4.4 Apresentação e discussão dos resultados .............................................................. 41

5.5 Conclusões ..................................................................................................................... 50

6 Conclusões e considerações finais ........................................................................................ 53

7 Referências Bibliográficas ...................................................................................................... 55

Anexos ......................................................................................................................................... 57


IX

Índice de Figuras

Figura 2.1: comportamento das correntes nas bacias portuárias (Stoschek, 2007). ................... 4

Figura 2.2: linhas de colunas ou estacas (pile-rows). ................................................................... 5

Figura 2.3: estruturas de desvio da corrente (current deflecting walls). ....................................... 5

Figura 2.4: cortinas flutuantes (floating curtains). ......................................................................... 6

Figura 2.5: cortinas de bolhas de ar (air bubble curtains). ............................................................ 6

Figura 3.1: Granulometria dos sedimentos (adapt. [W1]) ............................................................. 8

Figura 3.2: factor de floculação, F, em função do diâmetro médio de uma partícula (Whitehouse

et al., 2000). ................................................................................................................................... 9

Figura 3.3: comparação do número de colisões através dos gradientes de velocidade e do

efeito browniano, de partículas com o mesmo diâmetro, em função do diâmetro da partícula e

do gradiente de velocidade (adapt. de van Leussen e Dronkers, 1988). ................................... 11

Figura 3.4: Teoria de Dupla Camada de Stern (Gomes,1988). .................................................. 12

Figura 3.5: comportamento da velocidade consoante a concentração de sedimentos no líquido

(Costa, 1995). .............................................................................................................................. 14

Figura 3.6: resultado de ensaios laboratoriais de Owen, Krone e Allersma (Mehta,1984). ....... 15

Figura 3.7: resultado de ensaios de campo no estuário de Tamisa (Mehta, 1984). ................... 15

Figura 4.1: fotografia via satélite do Parque das Nações em 1998, após a instalação de uma

contra molhe flutuante na bacia Sul. ........................................................................................... 18

Figura 4.2: Marina do Parque das Nações. Campo de correntes na bacia sul durante a vazante

e a enchente (CEHIDRO, 2004).................................................................................................. 19

Figura 5.1: a) realização da peneiração de 63µm; b) material excluído. .................................... 23

Figura 5.2: a) junção da amostra e da água; b) amostra em estudo com 113.3g/l. ................... 24

Figura 5.3: a) desagregação da amostra no ultra-som; b) frascos em repouso. ........................ 25

Figura 5.4: a) difractómetro de raios X ; b) instrumentos utilizados para compressão da amostra

e porta-amostras com a amostra comprimida. ............................................................................ 26

Figura 5.5: diagrama esquemático da metodologia utilizada para a análise qualitativa por DRX

(Silva, 2011). ............................................................................................................................... 26

X

Figura 5.6: diagrama esquemático da metodologia utilizada para análise semiquantitativa por

DRX (Silva, 2011). ....................................................................................................................... 29

Figura 5.7: registos difractométricos da amostra global com agregado não orientado (adapt.

Silva, 2011). ................................................................................................................................. 29

Figura 5.8: analisador de partículas por difracção laser Mastersizer Micro do fabricante Malvern

Instruments. ................................................................................................................................. 31

Figura 5.9: zona da unidade de amostragens do aparelho: (1) braço de bombagem; (2)

alavanca do braço de amostragem; (3) bomba; (4) misturador; (5) sonda de ultra-sons; (6) porta

da unidade de amostragem; (7) tubos de amostra (adapt. Malvern Instruments, 1997). ........... 32

Figura 5.10: colocação da amostra no copo de vidro com o dispersante................................... 33

Figura 5.11: a) Coluna de Sedimentação; b) válvulas electromagnéticas. ................................. 36

Figura 5.12: a) porta recipientes; b) numeração dos mesmos. .................................................. 36

Figura 5.13: autómato (Brito, 2008). ........................................................................................... 37

Figura 5.14: 0,283 l de amostra. ................................................................................................. 38

Figura 5.15: a) pesagem do sal; b) colocação do sal em água; c) dissolução do sal na água. . 38

Figura 5.16: a) colocação de água na coluna; b) agitação da mistura. ...................................... 39

Figura 5.17: a)posicionamento vertical da coluna; b) ligação do porta recipientes ao autómato.

..................................................................................................................................................... 39

Figura 5.18: execução do ensaio da coluna de sedimentação. .................................................. 40

Figura 5.19: a) colocação da amostra para filtração; d) filtros no processo de secagem em

estufa. .......................................................................................................................................... 40

Figura 5.20: medição de algumas características da água com uma sonda multiparamétrica YSI

556 MPS. ..................................................................................................................................... 41

Figura 5.21: concentrações de sedimentos ao longo do tempo no ensaio 4. ............................ 41

Figura 5.22: concentrações de sedimentos ao longo da profundidade no ensaio 4. ................. 42

Figura 5.23: concentrações médias do ensaio 4. ....................................................................... 42

Figura 5.24: concentrações médias dos 5 ensaios. .................................................................... 43


XI

Figura 5.25: velocidades de sedimentação real.......................................................................... 45

Figura 5.26: concentrações médias em função do da velocidade de sedimentação. ................ 45

Figura 5.27: coeficiente de resistência de esferas em função de (Quintela, 1985). ............. 47

Figura 5.28: viscosidade cinemática em função da salinidade e da temperatura (adapt.

Dessouky e Ettouney, 2002). ...................................................................................................... 49

Figura 5.29: densidade em função da salinidade e da temperatura (adapt. Dessouky e

Ettouney, 2002). .......................................................................................................................... 49


XIII

Índice de Tabelas

Tabela 3.1: frequência de colisão. .............................................................................................. 10

Tabela 5.1: tempo de colheita calculado pela lei de Stokes e respectiva altura de colheita. ..... 24

Tabela 5.2: MIF dos minerais existentes nas amostras (com agregados não orientados) (Silva,

2011). .......................................................................................................................................... 28

Tabela 5.3: MIF dos filossilicatos (com agregados orientados) (Silva, 2011). ........................... 28

Tabela 5.4: composição mineralógica semiquantitativa (em % e normalizada para 100%) da

amostra global (Silva, 2011). ....................................................................................................... 30

Tabela 5.5: composição mineralógica semiquantitativa (em % e normalizada para 100%) da

fracção fina (Silva, 2011). ............................................................................................................ 30

Tabela 5.6: coeficientes de variação obtidos. ............................................................................. 33

Tabela 5.7: valores residuais. ..................................................................................................... 34

Tabela 5.8: resultados da análise do teor de matéria orgânica da amostra. .............................. 35

Tabela 5.9: velocidades de sedimentação e velocidade média de cada ensaio. ....................... 45

Tabela 5.10: velocidades de sedimentação determinadas pela lei de Stokes. .......................... 48

Tabela 5.11: velocidades calculadas a partir da Lei de Stokes e a partir da equação diferencial

de conservação da massa. ......................................................................................................... 51


XV

Simbologia

área da secção de fundo da coluna

coeficiente da cinética da floculação -

concentração no instante imediatamente antes de se fazer a

próxima recolha

concentração no instante imediatamente a seguir ao

encerramento das válvulas

coeficiente de resistência -

concentração de sedimentos no exterior da bacia portuária

taxa de deposição -

densidade da água -

diâmetro de uma partícula

diâmetro da partícula

taxa de assoreamento -

gradiente absoluto de velocidade

aceleração da gravidade

altura da coluna

intensidade integrada do pico de difracção

constante relacionada com factores instrumentais na analise

semi-quantitatia mineralógia -

frequência de colisão segundo o efeito browniano -

frequência de colisão segundo sedimentação diferencial -

frequência de colisão segundo gradientes de velocidade -

frequência de colisão entre as partículas e -

constante de Boltzmann -

coeficiente de colisão -

factor de densidade -

massa da amostra

massa de sedimentos depositados no fundo da coluna de

sedimentação

massa de sal na água

número de colisões ocorridas por unidade de tempo e de volume

entre duas classes de partículas e -

coeficiente teórico baseado na cinética de floculação -

concentração da partícula

eficiência da retenção dos sedimentos -

trocas de água devido a processos hidrodinâmicos

resistência

XVI

número de Reynolds -

teor em sal -

temperatura absoluta

intervalo de tempo

constante relativa à análise semi-quantitativa -

volume da célula unitária

volume da coluna

volume da amostra

energia dissipada num ponto do líquido

fracção em peso do mineral na mistura -

velocidade uniforme de sedimentação

velocidade de sedimentação

coordenada vertical -

diâmetro mediano médio

factor de estrutura -

factor de Lorentz -

factor de polarização -

factor de distribuição dos pós -

volume da partícula

peso volúmico do sedimento

massa volúmica da partícula

massa volúmica da água

coeficiente de estabilidade de colisões -

peso volúmico do líquido

energia total dissipada por unidade de tempo e de massa

coeficiente de absorção mássico da estrutura -

viscosidade dinâmica

viscosidade cinemática

densidade do mineral -


1

1 Introdução

1.1 Considerações gerais

O estudo do efeito da salinidade sobre a velocidade de queda de sedimentos finos torna-se

relevante para um melhor conhecimento do comportamento num estuário, uma vez que o nível

da salinidade varia periodicamente e a velocidade de escoamento é reduzida, apresentando

elevados níveis de concentração de sedimentos finos. A grande maioria dos sedimentos

transportados nos estuários encontra-se em suspensão e é de pequenas dimensões,

compostos por minerais de argila.

No projecto de uma bacia portuária situada num estuário, é necessário ter-se em conta o

comportamento dos sedimentos finos, de modo a reduzir os custos de manutenção a longo

prazo e o risco de obstrução.

Segue-se o exemplo da Marina do Parque das Nações, que se encontrou encerrada devido ao

assoreamento de sedimentos finos e que apresentou elevados custos na reformulação do

projecto e de manutenção para a mitigação do problema.

1.2 Objectivos da dissertação

Este trabalho tem como objectivo realizar o estudo do efeito de salinidade na velocidade de

sedimentação, para vários níveis de concentração de sal numa amostra retirada junto à Marina

do Parque das Nações, constituída por matéria orgânica, sedimentos finos-argilosos e outros

de maiores dimensões.

1.3 Organização da dissertação

Para melhor enquadramento do tema, inicia-se o trabalho descrevendo e explicando a

distribuição dos sedimentos no estuário, bem como a deposição nas margens do mesmo. De

seguida, descreve-se o processo de deposição de partículas em bacias portuárias nos

estuários e termina-se com os tipos de soluções existentes para mitigar problemas de

obstrução das mesmas.

Depois de uma descrição mais generalizada sobre o processo de assoreamento de partículas

finas, referem-se propriedades e características do mesmo, para se analisar as causas de

sedimentação, estudando os seus processos e mecanismos. Depois de se ter feito uma

descrição pormenorizada e geral sobre as partículas finas, referem-se estudos realizados sobre

o efeito de salinidade na velocidade de sedimentação.

Termina-se o enquadramento do tema apresentando o caso de estudo da Marina do Parque

das Nações, descrevendo as condições locais, os problemas surgidos após a abertura da

mesma e as soluções adoptadas para a reformulação da marina.

2

De seguida, inicia-se a descrição do trabalho experimental realizado para o estudo do efeito da

salinidade na Marina do Parque das Nações. São realizados ensaios de análise e

caracterização dos constituintes da amostra, para se obter uma descrição global, a nível

mineralógico e granulométrico, da amostra. De seguida, apresenta-se o ensaio da coluna de

sedimentação, descrevendo os procedimentos e os resultados obtidos. Termina-se o trabalho

concluindo a importância do efeito da água marinha na sedimentação das partículas finas silto-

argilosas.


3

2 Assoreamento de bacias portuárias

2.1 Introdução

Nos estuários encontram-se elevadas concentrações de sedimentos finos que se depositam

nas margens, canais e bacias portuárias existentes, provocando a sua obstrução. Trata-se de

um problema que pode afectar a utilização portuária, e que requer medidas de mitigação,

protecção e prevenção.

Para baixar os custos de manutenção, é necessário considerar o assoreamento como um

factor muito importante a ter em conta num projecto de uma bacia portuária.

Neste capítulo são referidas e discutidas as causas da acumulação de sedimentos nos

estuários, bem como a distribuição dos mesmos, e os processos hidrodinâmicos envolvidos no

assoreamento das bacias portuárias.

Descrevem-se também alguns métodos utilizados para minimizar o assoreamento nas bacias

portuárias.

2.2 Distribuição de sedimentos em estuários

Os sedimentos finos ocorrem mais usualmente em estuários, enseadas e zonas onde a

corrente junto ao leito é fraca (Whitehouse et al., 2000). A origem dos assoreamentos provém

da erosão e do transporte de sedimentos do próprio estuário e da bacia hidrográfica.

O estuário funciona como uma barreira à entrada de sedimentos de origem fluvial no mar e

grande parte deles ficam lá depositados. Por conseguinte, as concentrações de sedimentos em

suspensão nos estuários são elevadas e os sedimentos apresentam-se ricos em matéria

orgânica devido à alta produção biológica, tanto na coluna de água como no fundo.

Os estuários compreendem canais e áreas que estão alternadamente a coberto e a

descoberto, consoante a subida e a descida da maré. Verifica-se uma progressão no tamanho

das partículas: desde sedimentos muito finos, nos planos mais elevados do estuário, até a

areias mais grosseiras no curso principal.

Isto deve-se à velocidade do escoamento e às condições de agitação. O curso principal, que é

a zona mais profunda do estuário, encontra-se sempre submerso e sujeito a fortes correntes de

maré e à acção das ondas. Os planos mais elevados são geralmente zonas rasas que só se

encontram submersas durante a maré cheia, quando a velocidade de maré é próxima do zero,

e estão sujeitas a ondas de pequena amplitude.

Estes rasos de marés são geralmente compostos por sedimentos finos silto-argilosos. Por se

tratarem de partículas muito pequenas, depositam-se lentamente. Apresentam velocidades de

queda baixas, pelo que se depositam no leito algum tempo depois de a velocidade do

escoamento ter descido abaixo de um valor crítico. Este fenómeno designa-se por settling lag e

4

favorece a retenção do sedimento no estuário e a sua deposição nos rasos de maré pelas

correntes de enchente.

Os sedimentos ou lamas, uma vez depositados, são difíceis de erodir, devido não só à coesão

entre partículas minerais, mas também por as lamas apresentarem matéria orgânica e biofilmes

que se comportam como “colas” biológicas (Brown et al.,1989).

2.2.1 Assoreamentos de bacias portuárias nos estuários

A sedimentação nas bacias portuárias é causada por diversos processos. No que respeita aos

processos hidrodinâmicos, pode dever-se à enchente e vazante por efeito da maré; a vórtices

formados na bacia, que vão transportar horizontalmente os sedimentos; a gradientes de

densidade, devido à variação da salinidade na água, que formam correntes de densidade.

Todos eles vão depender das correntes da maré, apresentando esta, portanto, uma grande

influência na deposição dos sedimentos. Na Figura 2.1 encontra-se representado o

comportamento das correntes à entrada de uma bacia portuária.

O processo da deposição de sedimentos é também determinado pela geometria e pela

dimensão da bacia, pela orientação da entrada da mesma e pelas características dos

sedimentos no estuário (Deltares, 2000).

Figura 2.1: comportamento das correntes nas bacias portuárias (Stoschek, 2007).

A taxa de assoreamento numa bacia portuária, , pode ser descrita de forma simples:

(2.1)

que depende da eficiência da retenção dos sedimentos, , da concentração de sedimentos no

exterior da bacia portuária, , e das trocas de água devido aos processos referidos,

(Winterwerp, 2005).

2.3 Consequências e medidas de minimização.

A maioria das bacias portuárias apresentam problemas de assoreamento, pelo que é

necessário recorrer a dragagens para evitar a obstrução do canal de acesso à própria bacia.


5

Os custos para este tipo de manutenção são um elemento crítico para a viabilidade económica

dos portos.

Para minimizar os problemas, recorre-se a vários meios e estudos. Durante a fase do projecto,

é essencial que a optimização da circulação dos sedimentos seja considerada como um

objectivo importante no desenho da bacia. Existem modelos que permitem simular as

correntes, as ondas, o transporte de sedimentos e a qualidade da água numa bacia. Através

destes modelos, é possível realizar previsões, interligando todas estas características

(Deltares, 2000).

Numa bacia já existente e que apresente problemas de assoreamento, pode recorrer-se a

medidas de mitigação (Deltares, 2000).

No caso de se pretender a protecção da bacia contra a entrada de sedimento em suspensão

associada a vórtices formados na entrada da bacia, recorre-se a linhas de colunas ou estacas,

(pile-rows), ou estruturas de desvio da corrente (current deflecting walls). As colunas são

instaladas perpendicularmente à corrente do leito principal, a montante da entrada da bacia, de

modo a reduzir a velocidade do escoamento, reduzindo também a formação de vórtices na

bacia (Figura 2.2). As estruturas de desvio servem para orientar e desviar a corrente (Figura

2.3).

Figura 2.2: linhas de colunas ou estacas (pile-rows).

Figura 2.3: estruturas de desvio da corrente (current deflecting walls).

Para proteger das correntes de densidade, pode-se recorrer a cortinas flutuantes ou a cortinas

de bolhas de ar. As cortinas flutuantes são constituídas por uma bóia com uma cortina geotextil

que vai formar uma barreira que impede o escoamento e a passagem dos sedimentos. Trata-

se de um material flexível, pelo que permite a passagem dos barcos. É um material

relativamente barato mas requer manutenção regular (Figura 2.4). As cortinas de bolhas de ar

resultam de fontes de ar comprimido provenientes de difusores, que se encontram no fundo e à

entrada da bacia. A cortina de bolhas de ar vai diminuir a densidade da água que se encontra

acima dos difusores, e a diferença de densidade cria uma corrente ascendente capaz de

interromper as correntes de densidade (Figura 2.5).

6

Figura 2.4: cortinas flutuantes (floating curtains).

Figura 2.5: cortinas de bolhas de ar (air bubble curtains).

No que diz respeito à protecção contra o transporte de sedimentos no fundo, recorre-se à

instalação de soleiras submersas que retêm os sedimentos a montante da entrada da bacia.

Para o bom funcionamento das soleiras, é necessário dragar regularmente, o que significa que

a manutenção da bacia portuária não diminui muito. No entanto trata-se de uma intervenção

que retarda e previne a obstrução do canal de acesso. Recorre-se também à transposição

artificial de sedimentos (by-passing dredging), que consiste em dragar os sedimentos a

montante da bacia e repulsá-los a jusante (RecCom: Working Group 13, 2004).

2.4 Conclusões

Os estuários apresentam elevadas concentrações de sedimentos, transportados por correntes

fluviais e de maré. Os sedimentos mais finos apenas se depositam nos planos mais elevados

do estuário, para velocidades de corrente próximas do zero.

Os sedimentos finos também se podem depositar em bacias portuárias. A maré tem uma

grande influência nessa deposição de sedimentos, associada às correntes de maré e às

correntes de densidade.

Para prevenir os problemas de assoreamento nas bacias portuárias, existem modelos que

permitem simular e realizar previsões no que diz respeito ao comportamento dos sedimentos

finos. Podem também ser estudadas medidas de mitigação, de entre as quais, a instalação de

estruturas de desvio de corrente, cortinas flutuantes e de bolhas de ar e soleiras.

https://www.google.pt/search?hl=pt-PT&sa=X&biw=1241&bih=545&tbm=bks&tbm=bks&q=inauthor:%22Recreational+Navigation+Commission.+Working+Group+13%22&ei=EWnYT9f1IMiZhQfpwbXKAw&ved=0CDcQ9Ag


7

3 Propriedades dos sedimentos finos

3.1 Introdução

A deposição de sedimentos é influenciada por diversos factores. Além de depender das

correntes existentes no meio líquido, as características e propriedades da água e dos

sedimentos também vão influenciar a sedimentação.

O capítulo que se segue descreve os sedimentos finos existentes em meio estuarino, referindo

a granulometria, a mineralogia e as propriedades dos mesmos.

Perante essas características, segue-se a descrição das causas de sedimentação, distinguindo

os vários processos e mecanismos, atribuindo particular atenção aos mecanismos de

floculação.

Finaliza-se o capítulo revendo alguns estudos sobre o efeito da salinidade na sedimentação de

sedimentos finos, apresentando alguns ensaios de laboratório realizados por Owen, Krone e

Allersma e ensaios de campo no estuário de Tamisa.

3.2 Constituintes e as suas propriedades

Os sedimentos coesivos ou lodos resultam da mistura de sedimentos finos (argilas e siltes), de

matéria orgânica de natureza diversa, de água salgada ou salobra e, em alguns casos, de

sedimentos grosseiros como areias finas.

O comportamento do lodo no meio aquático é muito complexo. Não depende só da dimensão

das partículas mas também das respectivas propriedades físico-químicas e das velocidades

actuantes do meio líquido.

No que diz respeito à granulometria dos sedimentos, estes dividem-se em dois grupos. Os

sedimentos com diâmetro superior a 63 µm, designados de sedimentos grosseiros, e os

inferiores a estes, os sedimentos finos. Estes últimos incluem siltes grosseiros (20 a 63µm),

siltes médios (6 a 20µm), siltes finos (2-6µm) e argilas (<2µm) (Figura 3.1). Grande parte

destes sedimentos é designada de coesivos por apresentarem propriedades coesivas, isto é,

são partículas de pequenas dimensões que apresentam uma área específica suficientemente

grande para que o efeito das forças físico-químicas entre elas seja tão importante quanto o

efeito da força gravítica (Costa, 1995).

Os sedimentos coesivos são, na sua generalidade, de natureza mineralógica argilosa (Costa,

1995). A argila apresenta três grupos principais de minerais: feldspatos, micas e

aluminosilicatos. A estrutura química apresenta camadas de tetraedros de sílica e hidróxido de

alumínio fracamente ligadas por iões metálicos e moléculas de água. As ligações quebram-se

com facilidade por processos de degradação natural fragmentando em partículas inferiores a 2

µm (Whitehouse et al., 2000).

8

Figura 3.1: Granulometria dos sedimentos (adapt. [W1])

As partículas de argila apresentam propriedades coesivas devidas principalmente às forças

químicas em pequena escala que nelas actuam. Têm aparência lamelar, apresentando carga

negativa nas faces e positivas nas pontas (Whitehouse et al., 2000).

Os siltes são tipicamente misturas de minerais detríticos heterogéneos, em que o quartzo é o

mais comum, tendo também feldspatos e minerais ferromagnesianos (Costa, 1995).

Os sedimentos coesivos podem encontrar-se em quatro estados diferentes: em suspensão no

meio líquido, em elevadas concentrações junto ao fundo, parcialmente consolidados ou

consolidados no fundo (Whitehouse et al., 2000).

As principais diferenças no comportamento entre sedimentos finos e sedimentos grosseiros

devem-se à capacidade de as partículas dos primeiros se agruparem ou agregarem,

produzindo partículas de maiores dimensões designadas de flocos ou agregados.

3.3 Causas da sedimentação

A floculação de sedimentos surge como consequência da junção de partículas quando elas se

aproximam umas das outras. Os processos essenciais para a floculação são a colisão e a

coesão entre as partículas (Mehta, 1984).

O tamanho dos flocos e respectiva velocidade de sedimentação podem ser muito maiores que

os das partículas individuais, resultando uma deposição mais rápida dos sedimentos.

Na Figura 3.2 encontra-se apresentada a variação do factor de floculação consoante o

diâmetro da partícula. F é o factor de floculação, definido como a relação entre a velocidade de

sedimentação do floco de partículas e da partícula individual.

Como se pode observar, F varia muito com partículas de diâmetros inferiores a 0,06mm. No

entanto, num estuário, os flocos apresentam uma elevada gama de tamanhos, pelo que não há

uma simples velocidade de sedimentação (Whitehouse et al., 2000).


9

Figura 3.2: factor de floculação, F, em função do diâmetro médio de uma partícula (Whitehouse et al., 2000).

3.3.1 Mecanismos de colisão

A colisão entre partículas pode ser causada por três mecanismos: movimento das partículas

devido ao efeito browniano, gradientes de velocidade do fluido e diferentes velocidades de

sedimentação das partículas e flocos.

O tamanho dos flocos formados pela colisão aumenta até um determinado limite, estando

limitado pela tensão de corte que os flocos conseguem suportar.

Para além da tensão de corte, a dimensão máxima que um floco pode atingir depende também

de muitos outros factores. Desde as características físicas e químicas das partículas aos

parâmetros hidráulicos, entre os quais, a turbulência e a velocidade de escoamento, e a

composição química e iónica (Whitehouse et al., 2000).

O número de colisões entre partículas pode ser estimado como se apresenta na equação (3.1).

Trata-se de um modelo simplificado que assume que da colisão entre duas partículas vai

resultar uma terceira, cujo volume é igual à soma das duas primeiras. é o número de

colisões ocorridas por unidade de tempo e de volume entre duas classes de partículas de

diâmetros e , e são as concentrações das duas classes e é a função de

frequência de colisão, que depende do tamanho das partículas em causa e das propriedades

do sistema, incluindo a temperatura e a pressão.

(3.1)

Contudo, como só parte das colisões é que é eficaz, acrescenta-se o coeficiente de

estabilidade, , que representa a percentagem dessas colisões. A frequência de colisões

eficazes é então calculada como se apresenta na equação (3.2), em que varia entre 0 a 1.

10

(3.2)

A função de frequência de colisão, , depende do mecanismo que provocou a colisão.

Na Tabela 3.1 encontram-se apresentadas as frequências de cada mecanismo (van Leussen e

Dronkers, 1988). é o diâmetro da partícula após a colisão, é a constante de Boltzmann,

é a temperatura absoluta, é a viscosidade dinâmica do liquido, é a viscosidade cinemática

do liquido, e são a massa volúmica da água e da partícula i, respectivamente,

, e é o gradiente de velocidade absoluto.

Tabela 3.1: frequência de colisão.

Mecanismo de colisão Frequência de colisão

Efeito browniano

(3.3)

Gradientes de velocidade

(3.4)

Sedimentação diferencial

(3.5)

Camp e Stein (1943) definiram o gradiente absoluto de velocidade como sendo a raiz quadrada

da razão entre energia dissipada num ponto do liquido, , e a viscosidade, , como se pode

observar na equação (3.6).

(3.6)

Na equação (3.6), é a energia total dissipada por unidade de massa e de tempo, e é a

viscosidade cinemática do fluido.

Comparando os três mecanismos, o efeito browniano forma agregados com uma estrutura

rugosa e fraca; os agregados formados pelos gradientes de velocidade tendem a ser esféricos

e apresentam a estrutura mais forte dos três mecanismos; a sedimentação diferencial é mais

eficaz em períodos de fracas correntes e onde há elevada concentração de sedimentos, em

que as tensões de corte são pequenas, permitindo a formação de agregados também rugosos,

fracos e com baixa densidade.

A razão entre a frequência de colisão através dos gradientes de velocidade com a do efeito

browniano resulta na equação (3.7). É de referir que está simplificada, considerando-se que os

diâmetros das partículas que colidem são iguais.

(3.7)

Apresenta-se essa comparação também através da Figura 3.3. O valor das linhas corresponde

a essa razão e a linha mais espessa representa a situação em que o número de colisões de

um e de outro mecanismo é igual.


11

Como se pode observar, para partículas com diâmetro inferior a 2µm, o efeito browniano é

mais importante. Portanto em situações iniciais de floculação, onde esta se inicia com

partículas muito finas, o efeito browniano será o mecanismo de colisão mais importante.

Atingida uma dimensão superior, o efeito dos gradientes de velocidade será o mecanismo

dominante (van Leussen e Dronkers, 1988).

Figura 3.3: comparação do número de colisões através dos gradientes de velocidade e do efeito browniano, de partículas com o mesmo diâmetro, em função do diâmetro da partícula e do gradiente de velocidade (adapt. de van Leussen e Dronkers, 1988).

3.3.2 Mecanismos de coesão e agregação

A coesão provém das forças electrostáticas, que são forças fortes a curtas distâncias. Este

processo só ocorre quando elas são maiores que as forças de repulsão geradas pela nuvem de

catiões em torno de cada partícula, que dependem da carga dos minerais e da quantidade de

catiões existentes no fluido (Whitehouse et al., 2000).

Por as partículas sólidas apresentarem carga negativa, segundo a Teoria da Dupla Camada,

cada uma delas encontra-se envolvida por uma nuvem de catiões. Quando duas se encontram,

elas têm um comportamento repulsivo, devido às respectivas nuvens, que apresentam o

mesmo sinal, e atractivo, devido às forças de Van der Waals. Sabe-se que quanto maior a

concentração de iões positivos na água, mais comprimida se torna a nuvem de iões positivos e

portanto menores vão ser as forças de repulsão, aumentando as agregações entre as

partículas (van Leussen e Dronkers, 1988).

A Teoria da Dupla Camada foi criada primeiramente por Helmholtz e depois aperfeiçoada por

Gouy e Chapman. Contudo, a teoria que é considerada actualmente é a de Stern. Esta

considera que os catiões se encontram ligados à superfície da partícula, designada por

camada de Stern, seguida de uma camada mais difusa de catiões. Entre estas duas camadas

12

o potencial eléctrico é designado por potencial Stern (ψD). O potencial à superfície da partícula

designa-se de potencial Nernst (ψO). A espessura desta dupla camada é portanto composta por

água rigidamente ligada à partícula e que se move com ela na electroforese (migração de

espécies carregadas electricamente) e o potencial no limite desta é o potencial zeta. Este é

importante, na determinação do nível de repulsão entre as partículas e a estabilidade das

suspensões. Este potencial tem que ser superior a um valor mínimo ou crítico. Caso contrário,

as forças atractivas vão se sobrepor às repulsivas e as partículas vão-se aproximar

suficientemente para flocularem. A menor distância possível entre duas partículas corresponde

à soma das respectivas camadas (Gomes, 1988). Segue-se na Figura 3.4 a descrição gráfica

da Teoria de Dupla Camada de Stern.

Figura 3.4: Teoria de Dupla Camada de Stern (Gomes,1988).

Existem três tipos de mecanismos de agregação: o efeito da salinidade, a biofloculação e a

peletização.

A biofloculação é a formação de agregados orgânicos, devido à presença de bactérias,

fitoplancton e polímeros naturais (por exemplo, polissacarídeos). Estes agregados variam

desde poucos micrómetros a alguns milímetros.

Para além dos agregados orgânicos referidos, há também agregados macroscópicos. Estes

diferem dos primeiros pela sua densidade, fragilidade e tamanho. Durante a sua sedimentação,

estes agregados de grandes dimensões vão colidindo e incorporando pequenas partículas,

aumentando o respectivo tamanho.

A peletização é formada pelos organismos filtradores que se alimentam de matéria particulada

em suspensão. É o caso dos moluscos bivalves, copépodes e tunicados. Por aparecerem em

elevada quantidade nos estuários, pode ser importante considerá-los. Estes organismos


13

transformam matéria em suspensão com dimensões entre 1 a 5 µm em pequenos agregados

com 50 a 3000 µm, cuja velocidade de sedimentação vai ser geralmente maior.

No que diz respeito ao efeito da salinidade da água na coesão, por se tratar de um factor

importante no estudo em causa, este vai ser descrito com mais pormenor mais adiante.

3.4 Velocidade de sedimentação

Segundo Schiller (1932), para partículas esféricas e número de Reynolds reduzido (Re<1), a

velocidade de sedimentação pode ser estimada pela lei de Stokes (van Leussen e Dronkers,

1988):

(3.8)

é o diâmetro do sedimento, e são os pesos volúmicos do sedimento e do fluido,

respectivamente, é a gravidade, é a viscosidade cinemática.

Se excluirmos o efeito da salinidade e da temperatura, entre outros factores, e analisarmos o

efeito da concentração, para sedimentos finos, pode-se subdividir a velocidade de

sedimentação em três tipos (Costa, 1995):

sedimentação livre, que ocorre apenas para baixas concentrações, onde as partículas

não interagem umas com as outras, em que as forças resultam apenas da resistência

do líquido e do peso aparente de cada sedimento. Considera que o líquido encontra-se

em repouso e o movimento da partícula é uniforme, . Sendo assim, a velocidade

de sedimentação define-se como se apresenta na Equação (3.8).

sedimentação devido à floculação, em que as concentrações são mais elevadas que

na situação do assoreamento livre, o número de colisões entre as partículas é maior,

causando um aumento da agregação e da velocidade de sedimentação.

(3.9)

é um valor teórico baseado na cinética da floculação, que, segundo Krone (1962), se

considera igual a 4/3, mas que na prática, segundo Mehta (1986), varia entre 1 e 2. Os

coeficientes são determinados apenas em laboratório, usando colunas de

sedimentação ou em trabalhos de campo.

sedimentação limitada, quando a concentração de sedimentos se encontra acima de 2

a 5g/l. Trata-se de uma concentração elevada, em que agregados se encontram

demasiado juntos, sendo o fluido forçado a escoar por entre os mesmos. Tratam-se de

espaços bastantes reduzidos, que vão impedir a sedimentação das partículas.

Segue-se na Figura 3.5 o comportamento da velocidade de sedimentação consoante a

concentração de sedimentos existente no líquido.

14

Figura 3.5: comportamento da velocidade consoante a concentração de sedimentos no líquido (Costa, 1995).

3.5 Efeito da salinidade na velocidade de sedimentação

Na água doce predominam as forças de repulsão pois há poucos iões positivos. No entanto, na

água salgada encontram-se presentes iões electropositivos fortes, os de sódio, Na+ (van Rijn,

1993). A ionização destes catiões absorvidos na superfície das partículas de argila é muito

forte. Contudo, altas concentrações deste catião pode conduzir a uma grande ocupação na

camada Stern, reduzindo o potencial Stern e, por sua vez, o de zeta (Gomes, 1988). Assim vão

existir mais forças atractivas, que vão formar nuvens de iões positivos em torno das partículas.

Ao haver colisões entre estas partículas coesivas, estas vão flocular (van Rijn, 1993).

Foram realizados vários ensaios, quer de laboratório, quer de trabalho de campo, para

comprovar o efeito da salinidade na velocidade de sedimentação. Apresenta-se na Figura 3.6

alguns resultados de ensaios de laboratório.

Owen verificou um comportamento linear na velocidade de queda para valores de salinidade

entre 0 a 28 ‰. Krone observou que, para concentrações de sedimento em suspensão até aos

530 mg/l, a velocidade de sedimentação torna-se constante, e, portanto, independente do grau

de salinidade da água, para salinidades superiores a 5‰. Allersma observou que de água doce

para água com salinidade de 5 ‰, a velocidade de sedimentação torna-se 30 vezes mais

elevada e que a partir daí até aos 30 ‰ apenas duplica. Perante estes resultados, verifica-se

que a salinidade afecta significativamente a velocidade de queda dos sedimentos finos.

Na análise dos resultados obtidos em ensaios de campo, as conclusões são diferentes. Não se

observa qualquer efeito da salinidade na velocidade de sedimentação, qualquer que seja a

concentração de sedimentos no meio líquido. Na Figura 3.7 apresentam-se resultados obtidos

no campo, no estuário do Tamisa (Mehta,1984).


15

Figura 3.6: resultado de ensaios laboratoriais de Owen, Krone e Allersma (Mehta,1984).

Figura 3.7: resultado de ensaios de campo no estuário de Tamisa (Mehta, 1984).

Primeiro que tudo, é de referir que as velocidades de sedimentação obtidas através de trabalho

de campo são de pelo menos uma ordem de grandeza superior às obtidas em laboratório. Foi

16

sugerido que o tempo que cada um dos ensaios de laboratório demora a decorrer não é

suficiente para os sedimentos flocularem na sua totalidade (Mehta,1984).

Foi também sugerido que, no campo, os sedimentos mantêm-se em suspensão até a um

elevado grau de floculação, independentemente da salinidade na água (Mehta,1984), devido às

correntes horizontais existentes nos estuários (Costa, 1995). Portanto nos estuários, a

salinidade será importante no comportamento da floculação das partículas. A velocidade de

sedimentação, embora também seja influenciada, poderá depender de muitos outros factores

(Mehta,1984).

3.6 Conclusões

Os sedimentos podem ser grosseiros (> 63 µm de diâmetro) ou finos (< 63 µm). Os sedimentos

finos são constituídos por siltes e argilas. Por apresentarem minerais argilosos, os sedimentos

finos apresentam propriedades coesivas, que vão promover a floculação entre partículas.

Os processos essenciais para a floculação são a colisão e a coesão entre partículas. A

floculação pode ser causada através da colisão ou da coesão de partículas. A colisão entre

partículas pode ser causada pelo movimento browniano, pelo gradiente de velocidades ou pela

sedimentação diferencial. O efeito browniano vai ser o mecanismo de colisão mais importante

para os sedimentos mais finos, é o que vai dar início à floculação de partículas finas. Depois o

gradiente de velocidades torna-se o mais importante. A coesão de partículas surge através do

efeito de salinidade, biofloculação e peletização.

A velocidade de sedimentação pode corresponder à sedimentação livre, à sedimentação

devido à floculação das partículas ou à sedimentação limitada pela interacção entre partículas,

devido a elevadas concentrações.

O efeito de salinidade é importante na floculação dos sedimentos, e, portanto, na velocidade de

queda dos mesmos. A água salgada apresenta iões electropositivos fortes, Na+, o que vai

aumentar a coesão entre partículas devido ao predomínio das forças atractivas.

Nos ensaios de laboratório, comprovou-se o efeito de salinidade na velocidade de

sedimentação. Porém, no trabalho de campo, os resultados foram mais discrepantes do que

era esperado. Neste último a salinidade não se verificou muito influente na velocidade de

sedimentação.


17

4 Caso de estudo: Marina do Parque das Nações

4.1 Introdução

Este capítulo tem como objectivo abordar a importância da análise do transporte e da

deposição dos sedimentos numa bacia portuária, recorrendo ao caso de estudo na marina do

Parque das Nações, situada no estuário do Tejo.

Inicia-se com a descrição das condições locais, referindo o tipo de sedimentos aí existentes,

bem como as correntes e agitação marítima. De seguida, apresentam-se as primeiras obras

realizadas e os problemas que foram surgindo após a construção das mesmas.

Conclui-se o capítulo com as soluções tomadas para a reformulação da marina e expondo a

importância do estudo da sedimentação no projecto de uma bacia portuária.

4.2 Caracterização da localização

A Marina do Parque das Nações localiza-se entre a foz do Trancão e a doca de Cabo Ruivo. A

salinidade média nesta zona é de cerca de 30‰, mas varia em função do caudal e da situação

de maré. Trata-se de uma zona onde se depositam sedimentos muito finos, que levam à

formação de banquetas de lodos de largura variável, bem visível em baixa-mar. No estudo do

projecto da marina, o LNEC estimou a taxa de sedimentação para o primeiro ano de

funcionamento, através de um cálculo baseado na cota de dragagem e na cota de equilíbrio,

através de considerações com base no processo de deposição e com base na modelação

hidrodinâmica, concluindo que, após uma dragagem a -2,00 (ZH) na Marina, esta apresentaria

uma sedimentação média de 0,5m a 0,8m.

Apesar de a zona da marina se apresentar abrigada à agitação oceânica exterior, por se tratar

de um estuário de dimensões elevadas, a agitação junto à margem é significativa. Quatro

entidades, INHA, LNEC, Delft/Hydraulics e DHI, calcularam a onda para um período de retorno

de 50 anos, tendo obtido valores na ordem de Hs=1,6m (Teixeira, 2004).

No que diz respeito às correntes de maré, fazem-se sentir no estuário e agravam-se em

situação de cheia nos rios. Nas imediações faz-se sentir uma corrente de vazante muito forte

sobretudo em situações de marés vivas. O Instituto Hidrográfico registou valores que atingem

os 1,5m/s na vazante, numa campanha de medições (Triede, 1994).

No projecto da marina, o valor da corrente no interior da bacia de estacionamento não deve

exceder os 0,5m/s, de modo a que garanta segurança nas manobras das embarcações.

Contudo a redução das correntes vai provocar um aumento da sedimentação de partículas

finas e, portanto, uma obstrução da bacia.

Apresenta-se de seguida a descrição das obras realizadas na marina do Parque das Nações,

desde a EXPO’98 até à actual, bem como as problemáticas geradas devido às condições

locais.

18

4.3 Obras e modificações da marina

As infra estruturas portuárias existentes antes do projecto EXPO’98 eram a doca dos Olivais,

construída nos anos 40, que funcionava como base a hidraviões, e a ponte-cais de Cabo

Ruivo, construída nos anos 60, que servia de recepção a navios que abasteciam o complexo

petroquímico de Cabo-Ruivo.

As propostas elaboradas inicialmente consistiam na criação de dois portos de recreio náutico

vizinhos nessas zonas, a Marina de Cabo Ruivo, tendo como elemento central a ponte-cais de

Cabo Ruivo, e a Marina dos Olivais, por adaptação da doca dos Olivais. Porém, a utilização da

Doca dos Olivais foi abandonada por questões urbanísticas, sendo apenas estudada e

projectada a reconversão da ponte cais e área vizinha.

Figura 4.1: fotografia via satélite do Parque das Nações em 1998, após a instalação de uma contra molhe flutuante na bacia Sul.

A Marina do Cabo Ruivo, encontra-se dividida em duas partes pela ponte-cais, designadas por

bacia Norte a e bacia Sul. A bacia Sul encontrava-se aberta do lado Sudoeste, não

apresentando contra molhe flutuante, e a Bacia Norte encontrava-se aberta apenas quando

necessário, para a entrada e saída de embarcações. Os quebramares flutuantes eram

constituídos por elementos em caixotões de betão armado, interligados por intermédio de

parafusos de aço inox (WW, Somague, 1997). Cada conjunto era mantido na sua posição

através de uma ligação de estacas de betão armado encastradas no estrato de fundação

resistente, colocadas no lado exterior da bacia (Anexo A.1) (Triede, 1996).

Esta obra de abrigo provocou alterações no campo de correntes, tendo sido estimado uma

redução de velocidades superficiais na zona central da bacia portuária no valor dos 30%

(Triede, 1996).

Antes da abertura da Expo, ocorreu uma forte agitação no estuário do Tejo que provocou

danos aos quebramares. Após o acidente, realizaram-se ensaios em modelo reduzido e

concluiu-se que, para as condições ensaiadas, o quebramar não ia resistir aos esforços

gerados.


19

A quase inexistência de abrigo às correntes e à agitação colocava em risco as embarcações e

a atracagem das mesmas na bacia, o que levou a uma reformulação do quebramar da bacia

Sul. Inicialmente instalou-se apenas o contra molhe flutuante, mas mais tarde viu-se ser

necessário uma reformulação mais radical.

Estudaram-se três soluções, quebramares flutuantes, quebramar fixo do tipo estacada e

quebramar convencional de talude em enrocamento, tendo-se optado pelo último para

substituir os flutuantes, que foi implantado num alinhamento semelhante ao do quebramar

flutuante (Consultores de Hidráulica e Obras Marítimas, Lda e WW, 1999).

Mais tarde o quebramar da bacia norte foi substituído do mesmo modo. Contudo esta ficou

desactivada, sem a possibilidade de entrada ou saída de embarcações.

Na escolha desta solução, ficaram resolvidas as questões relacionadas com as correntes e a

agitação. Contudo, esta redução das velocidades veio a agravar a taxa de envasamento. Além

disso, era possível a entrada e saída de água sob a estrutura da ponte-cais, o que permitiu,

juntamente com a entrada da bacia portuária, uma circulação de água aquando da enchente e

da vazante (Figura 4.2), deixando no percurso interior da mesma parte substancial da sua

carga de sedimentos em suspensão.

Figura 4.2: Marina do Parque das Nações. Campo de correntes na bacia sul durante a vazante e a enchente (CEHIDRO, 2004).

No final do ano 2003 verificou-se que as taxas de envasamento eram muito elevadas, sendo

que era possível observar-se a bacia sul completamente envasada, ficando o fundo visível em

baixa-mar (Anexo A.2).

Para eliminar este transporte de sedimentos, fechou-se todo o perímetro das duas bacias,

tornando a ponte-cais estanque. Para activar a bacia norte, interligaram-se as duas bacias,

seccionando-se a ponte cais junto ao edifício Nau e instalando-se uma ponte levadiça

semelhante à da eclusa que existe entre a bacia norte e a doca dos Olivais.

20

Contudo, para resolver o problema da intensa taxa de envasamento estas soluções não foram

suficientes, devido às trocas de massas de água devidas às variações de nível e devido aos

vórtices gerados das perturbações hidráulicas à entrada da bacia (CEHIDRO, 2004).

Para mitigar este problema, colocaram-se três hipóteses: manter a entrada da bacia como se

encontrava, instalar um sistema de comportas ou instalar uma eclusa.

Se se mantivesse a entrada da bacia, seria necessário efectuar dragagens em cada trimestre,

tornando a manutenção muito dispendiosa a longo prazo e tendo que se encerrar a marina

durante esse procedimento. No caso da eclusa, apesar de ficar resolvido o problema do

assoreamento na bacia, o tráfego marítimo era dificultado e portanto muito limitado. Por fim, a

solução das comportas, que acabou por ser a escolhida, foi a que se verificou mais

sustentável, pois iria controlar a entrada de sedimentos e permitir a entrada e saída de

embarcações, encerrando a marina apenas durante a noite e reabrindo quando o nível da maré

for semelhante ao do que se encontrava aquando do encerramento (Anexo A.3).

Sendo assim, os dois molhes das bacias tornaram-se diques, e no caso da ponte cais,

instalaram-se micro-estacas, para evitar a rotação da mesa da ponte-cais, uma vez que esta se

encontrava apenas assente em pilares tubulares, sem qualquer fundação.

A comporta foi instalada num terceiro dique, designado de dique de fecho, estando este a

montante do contra-molhe. Entre o dique de fecho e o contra molhe ficam atracadas as

embarcações que pretendem entrar ou sair da marina quando as comportas ainda se

encontrarem fechadas e também onde se encontra a rampa varadouro.

Estas últimas obras resultaram num custo de 8 milhões de euros. Contudo a taxa de

envasamento reduziu bastante, cerca de 60%, sendo que os custos de manutenção da marina

a longo prazo também reduziram significativamente, uma vez que o número de dragagens

diminuiu bastante. Contudo, os custos de manutenção do anteporto ainda são elevados, pois aí

não é possível o controlo da entrada e da saída de sedimentos.

Tem-se verificado que a deposição de sedimentos varia bastante anualmente, comprovando

que existem diversos factores que podem influenciar a mesma.

4.4 Abordagem experimental proposta

Ter conhecimento do comportamento dos sedimentos nas condições locais é importante no

estudo do projecto de uma bacia, pois como se pôde confirmar, podem inviabilizar um

empreendimento. Num caso como este, é necessário encontrar um equilíbrio entre a

velocidade das correntes e agitação máximas e mínimas, para não colocar em risco as

embarcações e, ao mesmo tempo, evitar também elevadas taxas de envasamento.

Uma vez que se tratam de sedimentos finos, são vários os factores que podem afectar o

comportamento da velocidade de sedimentação dos mesmos, e portanto é preciso tê-los em

conta, para mitigar os problemas que possam vir a causar nas bacias.


21

Perante a incerteza sobre a efectiva importância da salinidade, e a disparidade dos resultados

verificados no capítulo 3, torna-se relevante analisar experimentalmente, com uma coluna de

sedimentação, o efeito da salinidade sobre a velocidade de queda de sedimentos provenientes

da bacia portuária da marina do Parque das Nações.

Uma bacia portuária situada num estuário apresenta uma variação no nível da salinidade que

depende das marés e das precipitações na bacia hidrográfica. Se se confirmar que esta

variação afecta o comportamento da deposição das partículas finas silto-argilosas, então a

salinidade pode torna-se um factor relevante, que deva ser tido em conta na fase de projecto e

na análise de medidas de controlo da sedimentação.

4.5 Conclusões

A Marina do Parque das Nações tem vindo a ser reformulada desde que foi construída, sendo

que actualmente se pensa que já se encontram resolvidos os problemas principais.

Apresentou problemas devido à agitação, às correntes e à deposição de sedimentos.

Inicialmente teve-se mais em consideração a deposição de sedimentos, sendo que se

pretendeu manter minimamente as velocidades de corrente, para evitar um elevado aumento

na taxa de envasamento, que localmente já era significativa. Contudo, as correntes

permaneciam demasiado elevadas no interior da bacia portuária, pelo que se viu necessário

optar pelo fechamento da bacia com molhes em talude convencional de enrocamento.

Com a redução das correntes, a taxa de envasamento aumentou bastante, obstruindo

rapidamente a bacia.

Para a marina voltar a entrar em funcionamento, optou-se por fechar todo o perímetro, sendo a

entrada constituída por duas comportas, que encerram durante a noite, cerca de 12 horas e 24

minutos, tempo em que o nível da maré se encontra ao mesmo que o da bacia, e durante

períodos de maior potencial agitação (Inverno) com grandes quantidades de sedimentos em

suspensão.

Apesar de se ter tratado de uma obra com custos significativos, esta solução tornou-se menos

dispendiosa em relação ao que se iria ter na manutenção da bacia a longo prazo, sendo que

seria necessário realizar dragagens trimestralmente se a bacia continuasse em permanente

contacto com o estuário.

Perante estes problemas, denota-se a importância que a análise do comportamento dos

sedimentos finos tem num projecto de uma bacia portuária. Analisar a deposição dos

sedimentos consoante o grau da salinidade vai ser importante num caso de estudo destes,

uma vez que nestes locais a salinidade da água varia e pode de algum modo vir a ser um

factor de agravamento ou de redução do assoreamento por sedimentos finos.


23

5 Trabalho Experimental: Efeito da salinidade na marina do

Parque das Nações

5.1 Introdução

Apresenta-se neste capítulo o trabalho experimental para o estudo do efeito da salinidade nos

sedimentos finos. Para além do ensaio da coluna de sedimentação, realizaram-se ensaios de

análise e caracterização dos constituintes da amostra; uma vez que os processos vão ser

físicos e químicos, é necessário ter conhecimento das suas características mineralógicas e

granulométricas.

Após a descrição dos procedimentos, são referidos também os resultados e as conclusões

obtidas em cada um dos ensaios.

Termina-se o capítulo com uma breve conclusão sobre o efeito que a água marinha causa na

sedimentação dos sedimentos lodosos da Marina do Parque das Nações.

5.2 Recolha e preparações prévias da amostra

Como já foi referido anteriormente, a amostra foi recolhida na marina do Parque das Nações,

numa zona de acumulação de sedimentos finos silto-argilosos.

Deu-se início às preparações da amostra para a realização do ensaio no LNEC. Fez-se, em

primeiro lugar, a passagem da amostra por um peneiro de 63µm, de modo a extrair os

materiais de maiores dimensões, de pouco interesse, entre os quais algas e folhas (Figura 5.1).

Figura 5.1: a) realização da peneiração de 63µm; b) material excluído.

Juntou-se água à amostra para facilitar a peneiração e diminuir a concentração final (Figura

5.2). Para determinar essa concentração, recolheu-se um pequeno volume da mistura com a

ajuda de uma pipeta e filtrou-se. Depois de secada em estufa, fez-se a pesagem, resultando a

seguinte concentração:

(5.1)

24

Figura 5.2: a) junção da amostra e da água; b) amostra em estudo com 113.3g/l.

5.3 Caracterização da amostra

5.3.1 Análise mineralógica

Para a análise mineralógica dos sedimentos, realizaram-se análises qualitativas e semi-

quantitativas por difractometria de raios X de duas amostras de sedimentos no Departamento

de Materiais do LNEC. A primeira designa-se de amostra global e contém todos os sedimentos

de dimensões até aos 63µm. A segunda é designada fracção fina e apresenta apenas os

sedimentos inferiores a 2µm.

Para a obtenção da segunda amostra, realizou-se um ensaio de separação por pipetagem (lei

de Stokes) no Instituto Hidrográfico da Marinha.

Vai-se descrever o procedimento para a obtenção da fracção fina, para a análise qualitativa e

semi-quantitativa dos sedimentos. De seguida apresentam-se os resultados obtidos da análise

mineralógica da amostra de sedimentos finos silto-argilosos da Marina do Parque das Nações.

5.3.1.1 Separação da fracção fina inferior a 2µm por pipetagem

O ensaio de sedimentos por pipetagem é utilizado para recolher os sedimentos mais finos de

uma mistura, depois de os de maiores dimensões já se encontrarem a uma profundidade maior

do que a da colheita por pipetagem, depositados pela acção da gravidade.

Baseia-se na lei de Stokes para determinar o tempo a que os sedimentos superiores a 2µm

demoram a atingir uma determinada profundidade. Segue-se na Tabela 5.1 alguns desses

tempos, à temperatura de 20°C, que foram relevantes para o ensaio da amostra em causa.

Segue-se no Anexo B a mesma tabela com os tempos de colheita em outras temperaturas.

Tabela 5.1: tempo de colheita calculado pela lei de Stokes e respectiva altura de colheita.

Temperatura (°C) Altura de colheita (cm) Tempo de colheita (< 2μm)

20 20,00 15h 35min 01s

20 10,00 07h 47min 30s

20 5,00 03h 53min 45s

20 2,50 01h 56min 53s

20 1,25 00h 58min 26s

20 1,00 00h 43min 49s


25

Pretendia-se obter, a partir da amostra global silto-argilosa (<63µm), cerca de 4g de uma

fracção fina, com dimensões de argila (<2µm). Para tal, utilizou-se 500 ml da amostra com a

concentração de 113,3g/l.

Deu-se início ao ensaio começando por diluir a amostra com água numa proveta até atingir os

1000 ml. Para se realizar uma boa recolha de sedimentos finos, dividiu-se a mistura em 6

frascos de 1000 ml. Preencheu-se o restante volume dos frascos com água destilada do tipo I

e 16 ml de hexametafosfato de sódio com 6,08g/l de concentração, para facilitar a

desfloculação.Realizado este procedimento nos 6 frascos, cada um foi depois agitado e

colocado durante 30 a 50 segundos num ultra-som, VWR ultrasonic cleaner, para uma

desagregação total dos sedimentos. De seguida, agitou-se novamente e colocou-se em

repouso. A partir desse momento, deu-se início à contagem do tempo para a colheita (Figura

5.3).

Figura 5.3: a) desagregação da amostra no ultra-som; b) frascos em repouso.

A colheita foi feita aos 5 cm de profundidade, pelo que foi necessário esperar 3 horas e 53

minutos, estando a solução a uma temperatura de 20 °C.

Quando se executou a pipetagem, procurou-se não agitar a solução, para que permanecesse

em repouso. A pipeta apresentava 100 ml de capacidade, pelo que se realizaram três

pipetagens por frasco.

As colheitas foram colocadas em tubos de ensaio que seguiram para uma centrifugadora, para

se poder extrair a água da mistura (água destilada tipo I e hexametafosfato de sódio). Com a

ajuda de uma espátula e água destilada, colocaram-se as amostras dos tubos num gobelé,

para secar na estufa a 40 °C.

É de referir que foi necessário repetir o procedimento aos 6 frascos, uma vez que não foi

possível recolher logo os 4g de sedimentos.

5.3.1.2 Análise mineralógica qualitativa por difractometria de raios X

A metodologia de análise mineralógica que se descreve em seguida baseia-se em Silva (2011).

Os raios X são radiações de comprimento de onda da ordem de grandeza das distâncias

interatómicas, que podem ser difractadas pelos cristais segundo orientações bem definidas. Na

Figura 5.4 apresenta-se o aparelho de difractometria de raios X utilizado.

26

A difracção de raio X é uma técnica baseada nesta propriedade que permite a identificação

dos compostos cristalinos presentes num material em pó. É na leitura dos espectros de

difracção resultantes que se reconhecem os cristalinos existentes.

Prepararam-se agregados orientados nas duas amostras (global e fracção fina). Essa

preparação foi feita depositando sucessivamente, com uma espátula, pequenas quantidades

de material num porta-amostras para pós, seguidas de compressão do pó com um pequeno

pilão metálico cilíndrico ligeiramente inferior, até aquele se encontrar totalmente cheio.

Prepararam-se também agregados não orientados da amostra global, para uma melhor

identificação dos minerais. Depositou-se o material em pó num porta-amostras do mesmo tipo,

mas deixando-o cair depois de passar por um peneiro de rede de malha quadrada apertada,

que permitiu que as partículas caíssem dispostas aleatoriamente. Quando o porta-amostras se

encontrou praticamente cheio, procedeu-se à compressão com o pilão metálico.

Realizaram-se também tratamentos de etilenoglicol para verificar a existência de minerais

expansivos, tais como esmectites. No caso particular da amostra global, efectuou-se um

difractograma do material aquecido a 500 °C durante 30 minutos, para identificar a caulinite.

Apresenta-se na Figura 5.5 o diagrama esquemático da metodologia utilizada para a análise

qualitativa por DRX.

Figura 5.4: a) difractómetro de raios X ; b) instrumentos utilizados para compressão da amostra e porta-amostras com a amostra comprimida.

Figura 5.5: diagrama esquemático da metodologia utilizada para a análise qualitativa por DRX (Silva, 2011).

Fracção Fina Amostra Global

Agregado não orientado

Tratamento com

etilenoglicol

Aquecimento, 500 °C,

durante 30 minutos

Agregado orientado

Tratamento com

etilenoglicol

Agregado orientado


27

5.3.1.3 Análise semi-quantitativa

A intensidade de um pico de difracção, I, depende de factores instrumentais, geométricos e

cristalográficos:

(5.2)

onde, é a intensidade integrada do pico de difracção, é o ângulo de difracção, é a

constante relacionada com factores instrumentais, é a fracção em peso do mineral na

mistura, é o volume da célula unitária, é a densidade do mineral, é o factor de

estrutura, é o factor de polarização, é o factor de Lorentz, é o factor

de distribuição dos pós e é o coeficiente de absorção mássico da mistura.

Os métodos utilizados na análise difractométrica quantitativa consistem no cálculo de

quocientes das intensidades de reflexões de dois minerais na mistura e na construção de

curvas de calibração com misturas contendo esses minerais em proporção conhecida.

Pelo facto de os materiais argilosos apresentarem uma grande variabilidade na composição e

grau de cristalinidade dos minerais, utiliza-se o método semi-quantitativo, que é uma versão

simplificada da expressão anterior, que se define da seguinte maneira:

, (5.3)

sendo uma constante definida por

(5.4)

e que calcula proporções relativas dos minerais presentes no material analisado e normaliza-as

para 100%.

Dividindo a intensidade de pico de difracção de um mineral, 1, com a de outro mineral, 2,

resulta

. (5.5)

Como e são constantes, o seu quociente também o é, ou seja, o quociente das fracções

em peso dos minerais 1 e 2 é proporcional ao quociente das intensidades dos picos de

difracção de cada um deles.

Se se efectua uma mistura entre estes dois minerais com proporções iguais em peso e se o

mineral 2 for considerado como base de normalização, , a Equação (5.5) é escrita

(5.6)

28

em que designa-se de factor de intensidade, ou poder reflectante, do mineral 1. Trata-se

de um factor importante que permite avaliar quantitativamente a proporção do mineral 1 numa

mistura com o mineral 2.

Ao se preparar e analisar uma mistura com iguais fracções do mineral 2 e de outros minerais

que se pretendam determinar, vão obter-se constantes MIF para cada um dos minerais usados

que estão, portanto, baseadas numa mesma intensidade do mineral seleccionado como base

de normalização.

Para a análise em causa, utilizaram-se os valores MIF apresentados na Tabela 5.2 e 5.3. As

intensidades integradas dos picos de difracção característicos foram avaliadas pelas suas

áreas, expressas em contagens, utilizando o software X’Pert HighScore, especifico do

equipamento de difracção de raios X, e foram divididas pelos MIF correspondentes.

Normalizando a 100% obtiveram-se os teores dos minerais analisados em percentagem.

Tabela 5.2: MIF dos minerais existentes nas amostras (com agregados não orientados) (Silva, 2011).

Mineral MIF (para aparelhos de DRX com

fenda fixa, não automática)

Quartzo 1,5(1)

Feldspatos 1

Calcite 1

Filossilicatos 0,1

(1) - adoptou-se o valor de 1 para o MIF do quartzo

Tabela 5.3: MIF dos filossilicatos (com agregados orientados) (Silva, 2011).

Mineral MIF (para aparelhos de DRX com

fenda fixa, não automática)

Caulinite 1

Mica(1)

0,4

Esmectite 2

Clorite 1,5

(1) - para a determinação semiquantitativa dos materiais desta família optou-se por não se fazer distinção

entre ilite e moscovite tendo-se considerado a média dos respectivos MIF (ilite – 0,5; moscovite – 0,3).

O estudo semiquantitativo dos minerais de argila, os filossilicatos, foi feito recorrendo ao

difractograma da fracção fina com agregado orientado com tratamento de etilenoglicol. O dos

componentes não argilosos foi a partir do difractograma da amostra global, com agregado não

orientado, Figura 5.6 (Silva, 2011).


29

Figura 5.6: diagrama esquemático da metodologia utilizada para análise semiquantitativa por DRX (Silva, 2011).

5.3.1.4 Resultados da análise mineralógica

Seguem-se agora os resultados das análises qualitativas, em que na Figura 5.7, e também no

Anexo C.1, encontram-se apresentados todos os registos difractométricos da amostra global.

No Anexo C.2. apresentam-se os da amostra fina e no Anexo C.3. o da amostra global e o da

fina, com agregados orientados.

Figura 5.7: registos difractométricos da amostra global com agregado não orientado (adapt. Silva, 2011).

Observa-se que, em termos qualitativos, as duas amostras são semelhantes e constituídas por

quartzo, Q, o composto de maior proporção, mica, M, clorite, Cl, calcite, C, feldspatos alcalinos,

F, caulinite, K, e esmectite, E.

Os resultados da análise semiquantitativa encontram-se apresentados nas Tabelas 5.4 e 5.5.

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

0 10 20 30 40 50 60

Conta

gens

Posição [º2Theta]

Amostra global: agregado não orientado, aquecimento a 500ºC Amostra global: agregado não orientado

Amostra global: agregado não orientado, tratamento com etilenoglicol

C

l Cl

Cl E

M

M M

M M Q

Q Q Q M

Q

Q

F

C

C Q

C Q C

l

K

K F F F F M Cl

C Cl

F

K E

C

Amostra Global

Agregado não

orientado

Filossilicatos

Fracção fina (< 2µm)

Tratamento com

etilenoglicol

Componentes não

argilosos

30

Tabela 5.4: composição mineralógica semiquantitativa (em % e normalizada para 100%) da amostra global (Silva, 2011).

Compostos cristalinos identificados Fracção <63µm

Quartzo 41

Feldspatos 4

Calcite 4

Filossilicatos 51

Tabela 5.5: composição mineralógica semiquantitativa (em % e normalizada para 100%) da fracção fina (Silva, 2011).

Compostos cristalinos identificados Fracção <2µm

Quartzo 24

Feldspatos 9

Calcite 5

Caulinite 17

Clorite 5

Mica 24

Esmectite 17

Perante os resultados observados, verifica-se que a amostra apresenta uma grande

percentagem de quartzo na amostra global, que se reduz a metade nos sedimentos inferiores a

2µm. Na amostra global tem-se 51% de minerais argilosos; abaixo dos 2µm 17% corresponde

a caulinite, 5% é clorite, 24% é mica e 17% é esmectite, resultando um total de 63% de

minerais argilosos (Silva, 2011).

5.3.2 Análise granulométrica

Para a análise granulométrica dos sedimentos silto-argilosos, recorreu-se à difracção laser de

sedimentos, cujo procedimento se realizou na estação experimental de sedimentos coesivos do

Núcleo de Estuários e Zonas Costeiras do LNEC.

Utilizou-se um analisador de partículas por difracção laser Mastersizer Micro do fabricante

Malvern Instruments, Figura 5.8 O método de difracção laser tem as vantagens de se poder

aplicar em diferentes materiais, permite a possibilidade de automatizar o procedimento do

ensaio e é rápido na medição dos sedimentos. Existe, no mercado, uma grande variabilidade

de equipamentos disponíveis.

Quando se realiza uma análise deste tipo, é necessário ter em conta alguns aspectos

particulares, desenvolvendo e validando os procedimentos do ensaio consoante os diferentes

materiais e equipamentos, segundo a norma internacional para a análise granulométrica por

difracção laser ISSO 13320-1 (1990) (Freire, 2003).


31

Figura 5.8: analisador de partículas por difracção laser Mastersizer Micro do fabricante Malvern Instruments.

5.3.2.1 Método de difracção laser

A difracção a laser resulta da dispersão da luz que ocorre quando uma partícula é sujeita a um

feixe luminoso, cuja distribuição espacial de intensidade luminosa depende de algumas

características da partícula, de entre as quais as propriedades ópticas, a dimensão e a forma.

O método de análise granulométrica por difracção laser consiste portanto em incidir um feixe

de luz laser numa amostra dispersa num meio aquoso ou gasoso, numa concentração

adequada. Da sua interacção resulta um padrão de dispersão caracterizado por variações de

intensidade em função do ângulo de desvio. A distribuição granulométrica das partículas vai ser

calculada com base num modelo óptico e através de um procedimento matemático.

Esta técnica considera que a forma das partículas é sempre esférica e que o padrão da

dispersão do conjunto das partículas é igual à soma dos padrões de dispersão de cada

partícula quando sujeitas ao feixe luminoso incidente. Para esta ultima hipótese se verificar é

preciso que cada partícula disperse luz com intensidade diferente das restantes e que não haja

interferência óptica entre a luz dispersa de diferentes partículas (Freire, 2003).

5.3.2.2 Aparelho de difracção laser

O aparelho de difracção laser tem como objectivo analisar a granulometria de partículas num

líquido com dimensões entre 0,31 e 301 µm. É constituído por uma unidade óptica e um

computador onde está instalado o software Mastersizer Micro v2.19 que vai servir de comando

do aparelho e permitir obter e processar os dados.

A unidade óptica é constituída por uma unidade de amostragem, um painel de controlo e uma

célula de medição (Freire, 2003).

A unidade de amostragem vai homogeneizar a suspensão e promover a circulação da amostra

na célula de medição. É constituída por um misturador, que permite a circulação da mistura na

célula de medição e a dispersão das partículas, uma bomba para permitir a rotação do

misturador, uma sonda de ultra-sons, que ajuda na dispersão da amostra quebrando os

aglomerados, um braço de bombagem, que suporta a bomba, o misturador e a sonda de ultra-

sons, e uma alavanca do braço de bombagem, que permite mover verticalmente o braço de

32

bombagem. É constituída também por dois tubos que fazem o transporte da amostra entre a

célula de medição e o frasco que suporta a amostra, Figura 5.9.

Figura 5.9: zona da unidade de amostragens do aparelho: (1) braço de bombagem; (2) alavanca do braço de amostragem; (3) bomba; (4) misturador; (5) sonda de ultra-sons; (6) porta da unidade de amostragem; (7) tubos de amostra (adapt. Malvern Instruments, 1997).

O painel de controlo vai controlar a bomba, o misturador e a sonda de ultra-sons (Freire, 2003).

5.3.2.3 Execução da análise

Para a execução da análise, utilizou-se a amostra preparada de 113,3g/l.

A solução que se utilizou na análise é constituída pela amostra e um dispersante, a água

destilada. A concentração da solução tem de ser tal que o difractómetro laser meça em tempo

real a obscuração do feixe óptico pela solução. Essa obscuração tem que se encontrar entre os

10 e os 20%, ou seja, superior ao valor mínimo que permita produzir um sinal aceitável no

detector e uma representação estatística válida e inferior a um valor máximo que favoreça a

dispersão múltipla (Freire, 2003).

O dispersante é colocado no frasco colocado na unidade de amostragens do aparelho. Antes

de se colocar a amostra, realiza-se um background com a água destilada, que vai ser usada

para comparar com os minerais existentes na amostra em causa.

De seguida, com o auxílio de uma pipeta, adicionou-se 1,3ml de amostra na solução e

misturou-se na água destilada, Figura 5.10.


33

Figura 5.10: colocação da amostra no copo de vidro com o dispersante.

O tratamento com ultra-sons foi efectuado com uma intensidade de 10, durante apenas 2

minutos e 30 segundos, para os sedimentos silto-argilosos não se agregarem na suspensão. O

valor da velocidade de agitação e de circulação da bomba ficou pelas 2650 R.P.M.

Fez-se uma repetição das medições, obtendo-se 3 resultados, para assegurar a estabilidade

destes.

5.3.2.4 Apresentação dos resultados

A estabilidade dos resultados é confirmada através de duas análises. A primeira é verificar que

o coeficiente de variação dos diâmetros D[4,3], diâmetro médio volumétrico, D50, diâmetro

mediano volumétrico, D10, diâmetro máximo dos 10% de diâmetros mais baixos, D90, diâmetro

máximo dos 90% de diâmetros mais baixos, não ultrapasse o valor máximo admissível. Na

Tabela 5.6 apresentam-se os coeficientes de variação obtidos e os máximos admissíveis

respectivos. A segunda, é confirmar que o residual é inferior a 1%, pois caso contrário verifica-

se uma grande discrepância em relação ao modelo considerado. Na Tabela 5.7 apresentam-se

os respectivos valores residuais.

Tabela 5.6: coeficientes de variação obtidos.

Medição nº Valor máximo admissível para o coeficiente de variação de 3

medições sucessivas

Coeficiente de variação

1 2 3

(µm) (%) (%)

D[4,3] 16,59 16,44 16,64 4 1,2

D50 9,1 9,04 9,07 3 0,7

D10 1,98 1,97 1,97 5 0,5

D90 37,03 36,78 37,22 5 1,2

34

Tabela 5.7: valores residuais.

Medição nº 1 2 3

Residuais (%) 0,410 0,435 0,412

Observa-se nas tabelas que os coeficientes e os valores residuais encontram-se dentro do

intervalo admissível, confirmando assim a estabilidade dos resultados.

Os Anexos D.1, D.2 e D.3 apresentam os resultados dos relatórios obtidos pelo software. É de

referir que os resultados são dados em percentagem volúmica.

Os valores dos diâmetros médios neste tipo de análise variam com muita facilidade. Deste

modo, utiliza-se o diâmetro mediano, que varia menos, no estudo da velocidade de queda de

sedimentos através da Lei de Stokes, que se apresenta no ponto 3.4. O diâmetro mediano

médio resultante é

.

5.3.3 Determinação da matéria orgânica

A determinação da matéria orgânica foi realizada pelo método da perda ao rubro (loss on

ignition). Essa medição é feita comparando o peso da amostra inicial (< 63µm ) seca com o

peso da amostra depois de colocada a 550ºC numa mufla, temperatura suficiente para eliminar

toda a matéria orgânica existente.

O procedimento experimental foi realizado no laboratório do Núcleo de Engenharia Sanitária.

Iniciou-se com a pesagem dos cadinhos de porcelana numa balança analítica, sem amostras e,

depois, com as amostras de sedimento. Colocaram-se os cadinhos numa estufa a 40 °C

durante sete dias, para a secagem das amostras. Depois de secas, voltaram a ser pesadas

para se poder calcular o teor em água das amostras.

De seguida colocaram-se as amostras numa mufla a 550 ºC durante uma hora. Nas doze horas

seguintes são deixadas a arrefecer num exsicador. Realizam-se novamente as pesagens para

se poder calcular o teor da matéria orgânica na amostra.

É de referir que se repetiu este último procedimento até se verificar uma diferença de peso

inferior a 4%, para garantir que a matéria orgânica foi eliminada praticamente na sua totalidade.

Segue-se na Tabela 5.8 os resultados obtidos.

Perante os resultados obtidos observa-se que a amostra apresenta um teor significativo de

matéria orgânica. Porém é necessário ter em conta que neste método é possível haver perda

de água estrutural pelos minerais de argila, o que promove uma sobrestimação no teor em

matéria orgânica.


35

Tabela 5.8: resultados da análise do teor de matéria orgânica da amostra.

Amostra

Amostra húmida

Amostra seca

Teor em água

Teor em água em relação à massa total

Amostra calcinada

final

Teor em MO

(g) (g) % % (g) %

1 24,9 11,5 116,7 53,9 10,2 11,2

2 24,9 11,5 117,3 54,0 10,2 11,2

3 24,5 11,3 116,4 53,8 10,0 11,3

5.4 Ensaios na coluna de sedimentação

A coluna de sedimentação é, não só constituída pela coluna, como também por um porta

recipientes, que recolhe as amostras em recipientes com cerca de 1dL de capacidade, por um

computador e um autómato.

Vai-se fazer uma descrição mais pormenorizada do equipamento de ensaio, e também da

preparação e realização dos ensaios. Vão ser feitos 5 ensaios com diferentes valores de

salinidade para se poder estudar a influência da salinidade no comportamento da

sedimentação das partículas.

5.4.1 Descrição do equipamento

5.4.1.1 Coluna de sedimentação

A coluna de sedimentação tem cerca de 2,6m de altura, 0,11m de diâmetro interno e cerca de

21l de capacidade. Trata-se de um cilindro feito de material plástico transparente que se

encontra fixo à parede através de uma estrutura metálica. Esta estrutura vai permitir a rotação

da coluna de modo a que se possa obter uma boa homogeneização da suspensão na mistura.

A suspensão que se pretende analisar é introduzida na coluna pela extremidade superior, que

possui uma tampa amovível e que vai garantir estanquicidade à coluna (Brito, 2008).

Como se pode observar na Figura 5.11, a coluna apresenta 10 válvulas ao longo do seu

comprimento. São válvulas electromagnéticas que fazem a recolha de amostras

simultaneamente e que se encontram dispostas em 10 diferentes alturas (0,05, 0,15, 0,30,

0,55, 0,80,1,05, 1,30, 1,55, 1,80 e 2,05m).

Na extremidade inferior da coluna encontra-se outra válvula para se extrair a suspensão que

tenha sobrado depois de se finalizar o ensaio.

36

Figura 5.11: a) Coluna de Sedimentação; b) válvulas electromagnéticas.

5.4.1.2 Porta recipientes

O porta recipientes é constituído por uma barra vertical com 10 tabuleiros circulares que se

encontram alinhados com as válvulas electromagnéticas da coluna, de modo a receber

convenientemente as amostras.

Cada tabuleiro suporta 10 recipientes. Estes tabuleiros vão rodar 360º ao longo do ensaio de

modo a que, no fim, se tenham recolhido 10 amostras em 10 instantes. Os recipientes

encontram-se numerados, identificando o tabuleiro e o instante a que cada um corresponde

(Figura 5.12).

Figura 5.12: a) porta recipientes; b) numeração dos mesmos.

A rotação de 360º é feita por uma base móvel que suporta a barra vertical. Nela está instalado

um moto-redutor eléctrico que confere o movimento de rotação de 36º por cada instante de

recolha de amostras (Brito, 2008).


37

Deste modo, tem-se resultados do comportamento da sedimentação ao longo do tempo e do

espaço, permitindo analisar a velocidade da sedimentação.

5.4.1.3 Autómato

Na sala de comando, encontra-se o equipamento que vai permitir o funcionamento eléctrico da

coluna. Pode-se utilizar um de dois métodos de comando: por um programa instalado no

computador ou por um autómato.

No caso em estudo utilizou-se o autómato, uma vez que o programa de comando é apenas

necessário quando se pretende fazer alguma alteração nos parâmetros de ensaio. Segue-se

assim apenas a descrição do primeiro equipamento (Figura 5.13).

Figura 5.13: autómato (Brito, 2008).

O autómato possui seis botões identificados de acordo com a Figura 5.13. O primeiro

comando, Iniciar Ensaio, tal como o nome indica, permite iniciar o ensaio. Só deve ser

executado quando o porta recipientes se encontrar na posição certa, o que pode ser feito

premindo o botão Posição Inicial. O botão Ciclo permite recolher uma amostra, quando termina,

disponibiliza o autómato para outras operações. O comando Abrir Electroválvulas permite abrir

as electroválvulas enquanto o botão se mantiver premido. O Ajuste do Motor faz rodar o porta

recipientes enquanto o botão se mantiver premido e o Parar Ensaio aborta o ensaio.

Para a realização do ensaio em causa, é necessário encostar o porta recipientes no batente,

de modo a que fique electricamente ligado ao autómato.

Do autómato apenas se utilizaram os botões Posição Inicial e Iniciar Ensaio, uma vez que os

instantes já se encontravam pré-definidos (Brito, 2008).

5.4.2 Preparações dos ensaios

Para cada ensaio pretendia ter-se uma concentração inicial de 1,5g/l de sedimento de

suspensão. Sabendo o volume da coluna, calculou-se a massa necessária de sedimentos, que

corresponde a 0,283 l da amostra. (Figura 5.14)

38

Figura 5.14: 0,283 l de amostra.

Realizaram-se assim 5 ensaios que se distinguiram pelo seu teor em sal na mistura, s, (0‰,

5‰, 10‰, 15‰, 30‰). Sabendo que com 35‰ se tem, aproximadamente, 35g de sais por

1000g de água do mar e uma densidade de 1,027 e que a água doce (0‰) tem uma densidade

de 1, calculou-se a massa de sal necessária para cada ensaio (Figura 5.15):

(5.7)

(5.8)

onde é a densidade da água, é o teor em sal (‰), é a massa de sal na água (g) e é o

volume (l).

Figura 5.15: a) pesagem do sal; b) colocação do sal em água; c) dissolução do sal na água.

Na coluna, colocou-se grande parte da água necessária para o ensaio. Depois adicionou-se os

0,283 l da suspensão e a água com a concentração de sal respectiva para cada ensaio.

Encheu-se o resto da coluna até atingir 225 cm de altura. Não se preenche totalmente a coluna

para se poder homogeneizar a mistura, que requer a existência de ar no interior da coluna para

uma melhor agitação.


39

Fechou-se a válvula e agitou-se a mistura, fazendo rotações superiores a 90º para a esquerda

e para a direita, de modo a que o ar circulasse por toda a coluna (Figura 5.16).

Figura 5.16: a) colocação de água na coluna; b) agitação da mistura.

Finalizado este procedimento, colocou-se a coluna na vertical, reabriu-se a extremidade

superior e aproximou-se o porta recipientes à coluna até ficar electricamente ligado ao

autómato. Tomou-se, deste modo, o início de cada ensaio, Figura 5.17.

Figura 5.17: a)posicionamento vertical da coluna; b) ligação do porta recipientes ao autómato.

5.4.3 Ensaios experimentais

Cada ensaio tem duração de 306 minutos. Como já foi referido, vai haver 10 instantes em que

se recolhem amostras,

t0=0min; t1=1min; t2=6min; t3=16min; t4=36min; t5=66min; t6=106min; t7=156min; t8=216min;

t9=306min,

resultando 9 intervalos de tempo:

∆t1 = 1min; ∆t2 = 5min; ∆t3 = 10min; ∆t4 = 20min; ∆t5 = 30min; ∆t6 = 40min; ∆t7 = 50min; ∆t8 =

60min; ∆ t9=90min.

Os primeiros intervalos são mais curtos uma vez que a sedimentação no início do ensaio é

mais acentuada porque corresponde à das partículas de maiores dimensões e portanto a

concentração da mistura diminui mais depressa.

40

Figura 5.18: execução do ensaio da coluna de sedimentação.

No final de cada ensaio, 10 dos 100 recipientes encontram-se vazios, dos quais 7 pertencem

ao tabuleiro superior, 1, e 3 recipientes ao tabuleiro 2. Isto deve-se ao facto de, depois do

instante t2, a água na coluna se encontra abaixo do nível da primeira válvula e, depois de t6, se

encontra abaixo da segunda válvula.

Terminado o ensaio, mede-se o volume de amostra que se encontra em cada recipiente, que

depois é filtrada e secada em estufa a 40 °C para se pesar a massa de sedimentos existente.

Com isto é possível determinar a concentração de cada recipiente (Figura 5.19).

A filtração a que se recorreu é a vácuo e os filtros têm 0,45 µm de porosidade. É de referir que

os filtros foram secados em estufa e pesados antes de serem utilizados, para o peso do filtro

ser subtraído na pesagem da amostra.

Após determinar as concentrações dos 90 recipientes, é possível fazer uma análise da

sedimentação no tempo e em profundidade.

Aquando do esvaziamento da coluna, colocou-se a restante mistura num frasco para se

realizar medições de algumas características da água com uma sonda multiparamétrica YSI

556 MPS, entre as quais a salinidade, a temperatura, o oxigénio dissolvido, os sólidos

dissolvidos totais e o pH, Figura 5.20.

Figura 5.19: a) colocação da amostra para filtração; d) filtros no processo de secagem em estufa.


41

Figura 5.20: medição de algumas características da água com uma sonda multiparamétrica YSI 556 MPS.

5.4.4 Apresentação e discussão dos resultados

Segue-se na Figura 5.19 o gráfico que traduz a evolução da concentração de sedimentos finos

ao longo do tempo do ensaio 4, que apresenta 15‰ de salinidade. Encontram-se no Anexo E

os resultados dos restantes ensaios.

Figura 5.21: concentrações de sedimentos ao longo do tempo no ensaio 4.

Como se pode observar, a Figura 5.21 apresenta 10 linhas formadas por 10 pontos. Cada linha

apresenta a evolução da concentração ao longo do tempo num tabuleiro. A discrepância que

se vê no início poderá estar relacionada com a agitação que se fez inicialmente. Outros desvios

nos valores podem dever-se a alguns problemas no decorrer do ensaio da coluna, como por

exemplo, água que possa ter caído dos tabuleiros superiores para os recipientes ou uma das

válvulas que possa ter ficado um pouco aberta devido a algum sedimento que tenha lá ficado

retido e a tenha impedido de fechar totalmente.

Na Figura 5.22, apresenta-se graficamente 10 linhas que correspondem às concentrações em

cada instante ao longo da profundidade do ensaio 4. Apesar de nos primeiros instantes se

verificar a referida dispersão, a concentração apresenta uma distribuição relativamente

uniforme ao longo da profundidade. Segue-se no Anexo F os resultados dos restantes ensaios.

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

1,40

1,60

1,80

2,00

0 100 200 300

Concentr

ação (

g/l)

Tempo (min)

Concentração ao longo do tempo: Ensaio 4

Tabuleiro 1

Tabuleiro 2

Tabuleiro 3

Tabuleiro 4

Tabuleiro 5

Tabuleiro 6

Tabuleiro 7

Tabuleiro 8

Tabuleiro 9

Tabuleiro 10

42

Figura 5.22: concentrações de sedimentos ao longo da profundidade no ensaio 4.

Assim, traçou-se um gráfico com os valores médios das concentrações ao longo do tempo,

apresentado na Figura 5.23.

Figura 5.23: concentrações médias do ensaio 4.

Fez-se o mesmo para os restantes ensaios, juntando-os num só gráfico, Figura 5.24.

Analisando a Figura 5.24, verificou-se que todos os ensaios mantêm as concentrações iniciais

até ao instante t3=16min, possivelmente por efeito da turbulência associada à homogeneização

inicial da mistura. A partir daí, inicia-se a diminuição das concentrações dos sedimentos em

suspensão. Perante isto, considerou-se que a deposição dos sedimentos apenas toma início a

partir desse instante.

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

1,40

1,60

1,80

2,00

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Concentr

ação (

g/l)

Tabuleiros

Concentração ao longo da profundidade: Ensaio 4

Instante 1

Instante 2

Instante 3

Instante 4

Instante 5

Instante 6

Instante 7

Instante 8

Instante 9

Instante 10

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

1,40

1,60

0 50 100 150 200 250 300

Concentr

ação (

g/l)

Tempo (min)

Ensaio 4

15‰


43

Figura 5.24: concentrações médias dos 5 ensaios.

Comparando os ensaios, verificou-se que os sedimentos tendem a depositar mais depressa

com o aumento da salinidade.

No primeiro ensaio (s=0‰), ao fim de 300 min, apenas cerca de 55% das partículas se

encontram depositadas. No segundo (s=5‰), a percentagem é de 80%, concluindo-se que,

com apenas um acréscimo de 5 g de sal em cada 1000 g de água, os sedimentos finos silto-

argilosos apresentam uma taxa de deposição muito maior (mais 25%, ao fim de 300 min). As

concentrações dos três últimos ensaios (s=10, 15, 30‰) tendem para um valor quase

constante, entre 0,1 e 0,2 g/l, antes de o ensaio terminar, verificando-se que, ao fim de 300

min, cerca de 90% das partículas se encontram depositadas.

5.4.4.1 Velocidade de sedimentação

Para o estudo da velocidade de sedimentação, vai-se determinar e comparar a obtida em

laboratório, designada por velocidade de sedimentação real, com uma teórica, calculada

através da lei de Stokes.

Para determinar a velocidade de sedimentação real, recorreu-se à equação diferencial de

conservação da massa, na forma unidimensional:

, (5.9)

em que (kg m-3

) é a concentração de sedimento em suspensão, (s) é o tempo, (m s-1

) é

a velocidade de queda e (m) é a coordenada vertical (Portela, 2013).

No instante imediatamente a seguir ao encerramento das válvulas de recolha de amostras, a

mistura encontra-se com uma determinada concentração de sedimentos em suspensão. No

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

1,40

1,60

0 50 100 150 200 250 300

Concentr

ação m

édia

(g/l)

Tempo (min)

Concentrações médias

0‰

5‰

10‰

15‰

30‰

44

instante imediatamente antes de se fazer a recolha seguinte, há menos sedimentos em

suspensão porque parte deles se depositaram no fundo, ou seja:

(5.10)

em que e (kg m-3

) são, respectivamente, as concentrações no instante

imediatamente a seguir ao encerramento das válvulas e imediatamente antes de se fazer a

recolha seguinte e (m3) é o volume da coluna.

O volume entre os dois instantes é igual, resultando a seguinte equação:

. (5.11)

Sabe-se também que a variação da massa de sedimentos em suspensão por unidade de área

do secção de fundo e por unidade de tempo é igual, em valor absoluto, à taxa de deposição

(kg.m-2

.s-1

),

(5.12)

sendo o calculado por

, (5.13)

em que é a altura da coluna e a área da secção de fundo da coluna.

A taxa de deposição pode ser obtida através da equação de Krone, nas condições em que a

velocidade de escoamento é nula, que se encontra definida da seguinte forma:

. (5.14)

Juntando as equações 5.12 e 5.13 com 5.14, resulta:

. (5.15)

Deste modo, calculou-se a velocidade de sedimentação pela equação

. (5.16)

Por se verificar que, até t3, as concentrações medidas são muito semelhantes, considerou-se

conveniente estudar as velocidades apenas a partir do instante imediatamente a seguir a esse.

A Tabela 5.9 e a Figura 5.25 apresentam as velocidades de sedimentação ao longo do tempo

dos 5 ensaios a partir do instante t3.


45

Tabela 5.9: velocidades de sedimentação e velocidade média de cada ensaio.

tn tn+1 Ws Ensaio 1 Ws Ensaio 2 Ws Ensaio 3 Ws Ensaio 4 Ws Ensaio 5

(min) (min) (mm/s) (mm/s) (mm/s) (mm/s) (mm/s)

t3 = 16 t4 = 36 0,324 0,477 0,617 0,781 0,939

t4 = 36 t5 = 66 0,140 0,212 0,407 0,429 0,492

t5 = 66 t6 = 106 0,104 0,141 0,172 0,247 0,202

t6 = 106 t7 = 156 0,047 0,130 0,174 0,176 0,059

t7 = 156 t8 = 216 0,044 0,100 0,135 0,054 0,071

t8 = 216 t9 = 306 0,020 0,065 0,047 0,066 0,010

Ws média (mm/s) 0,075 0,135 0,173 0,212 0,137

Figura 5.25: velocidades de sedimentação real.

Figura 5.26: concentrações médias em função do da velocidade de sedimentação.

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0,70

0,80

0,90

1,00

16 - 36 36 - 66 66 - 106 106 - 156 156 - 216 216 - 306

Velo

cid

ade (

mm

/s)

Intervalo de tempo (min)

Velocidades de sedimentação

0‰

5‰

10‰

15‰

30‰

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

1,40

1,60

0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00

Concentr

ação m

édia

(g

/l)

Velocidade (mm/s)

Concentrações em função da velocidade de sedimentação

0‰

5‰

10‰

15‰

30‰

46

Na figura 5.25, pode observar-se que entre os 66 e os 106 minutos, a velocidade do ensaio 5

decresce mais que os restantes, pelo facto de os sedimentos já se encontrarem na sua maioria

depositados. O mesmo se pode observar na velocidade do ensaio 4, entre os 156 e os 216

minutos, e o ensaio 3, entre os 216 e os 306 minutos.

Na figura 5.26, encontra-se apresentada a variação da concentração com a velocidade de

sedimentação. Pode observar-se que os ensaios com menos salinidade registam elevadas

concentrações ao longo do procedimento experimental e pequenas velocidades de

sedimentação, ao contrário dos restantes ensaios, cujos valores se alteram bastante. Verifica-

se uma alteração significativa no comportamento dos sedimentos finos para níveis de

salinidade elevados.

5.4.4.2 Velocidade de sedimentação pela lei de Stokes

Para o cálculo da velocidade teórica, como já foi referido, recorreu-se à lei de Stokes.

Uma partícula num meio liquido em repouso pode subir ou descer, consoante o seu peso

volúmico for inferior ou superior ao do líquido. Trata-se de um movimento causado pelo peso

aparente do corpo opondo-se-lhe a resistência, (Equação 5.17), dependente da velocidade.

O movimento torna-se uniforme quando essa resistência se iguala ao peso aparente, Equação

5.18.

(5.17)

(5.18)

em que é o coeficiente de resistência, é o peso volúmico do fluido, é a área de projecção

do corpo num plano normal à direcção do movimento, é a velocidade uniforme de

sedimentação e é a gravidade; é o volume da partícula e é o peso volúmico da partícula

(Quintela, 1985).

O coeficiente de resistência surgiu, por via experimental, para se calcular a resistência, força

paralela à direcção do movimento na região não perturbada pela partícula. Está dependente do

número de Reynolds, , da geometria da partícula e da orientação ao movimento não

perturbado.

No caso em estudo, a Equação 5.17 resulta do facto de se considerarem as partículas

esféricas sendo o sistema de forças elementares uma força única na direcção do movimento.

Ou seja, considera-se que depende unicamente do número de Reynolds, adoptando-se o

diâmetro da esfera como uma grandeza geométrica.


47

Na Figura 5.27 encontra-se apresentada a variação de com , deduzida por Stokes em

1850. Como se pode observar, a partir de , observa-se uma recta, que se encontra

definida pela Equação 5.19.

Figura 5.27: coeficiente de resistência de esferas em função de (Quintela, 1985).

(5.19)

Sabe-se que o número de Reynolds é proporcional à relação entre a força de inércia e a força

de viscosidade sobre a partícula, estando definida como se observa na equação 5.20.

(5.20)

é a massa volúmica da partícula, é a velocidade característica da partícula, o

comprimento característico da partícula e é a viscosidade dinâmica. No caso em estudo,

vai ser a velocidade uniforme de sedimentação e vai ser o diâmetro mediano determinado

na análise granulométrica . Sabendo que a viscosidade cinemática, , é o quociente entre a

viscosidade e a massa volúmica da partícula, resulta a Equação 5.21.

(5.21)

Com , é necessário proceder-se a um processo iterativo, utilizando o gráfico

apresentado na Figura 5.25, para calcular a velocidade de sedimentação. Por se tratar de um

líquido em repouso e o movimento uniforme, e portanto a velocidade de sedimentação

pode ser calculada pela lei de Stokes, Equação 5.24 (Quintela, 2005).

48

Sabendo que o volume e a área da partícula se definem, respectivamente, pela Equação 5.22

e 5.23,

(5.22)

(5.23)

juntando as Equações 5.21, 5.19 e 5.18, resulta a Equação 5.24.

(5.24)

Para simular as condições ensaiadas em laboratório, calcularam-se 5 velocidades de

sedimentação pela lei de Stokes, com os diferentes níveis de salinidade e de temperatura, que

vão afectar a viscosidade e o peso volúmico do fluido.

Considerou-se que as partículas sólidas têm a mesma densidade que a argila, cerca de 2,82

kg/m3 (Araújo, 2005).

Na Tabela 5.10 encontram-se apresentadas as características das soluções de cada ensaio

bem como as velocidades calculadas através da Equação 5.24.

Tabela 5.10: velocidades de sedimentação determinadas pela lei de Stokes.

Ensaio 1 2 3 4 5

T (˚C) 18,52 17,63 16,48 14,53 15,48

Salinidade (‰) 0,26 5,26 10,36 15,32 30,94

(µm2/s) 1,039 1,067 1,104 1,165 1,161

(g/cm3) 0,999 1,003 1,007 1,011 1,023

D (µm) 9,07

(-) 1,83 1,82 1,80 1,79 1,76

ws (mm/s) 0,079 0,076 0,073 0,069 0,068

Para determinar a viscosidade e a massa volúmica de cada ensaio, recorreu-se aos gráficos da

Figura 5.28 e 5.29 (Dessouky e Ettouney, 2002).

Como se pode observar, a velocidade de sedimentação calculada pela Lei de Stokes diminui

com a salinidade, o que não aconteceu nos ensaios em laboratório.

De facto, ao aumentar a densidade do líquido e a viscosidade, faria sentido as partículas terem

mais dificuldade em sedimentar, pois a resistência destas aumenta e passam a ter um peso

volúmico aparente menor.

Perante estes resultados, seguiu-se a necessidade de entender o efeito da salinidade no

comportamento da sedimentação das partículas a nível químico e biológico.


49

Figura 5.28: viscosidade cinemática em função da salinidade e da temperatura (adapt. Dessouky e Ettouney, 2002).

Figura 5.29: densidade em função da salinidade e da temperatura (adapt. Dessouky e Ettouney, 2002).

Para misturas de sedimentos com mais de 10% de argila de dimensões inferiores a 4µm, como

é o caso que se analisa, encontram-se presentes propriedades coesivas, ou seja, a força

electroestática é superior à força gravítica (cf. Capítulo 3).

As partículas de argila apresentam carga negativa e, portanto, exercem umas nas outras a

referida força electrostática, que pode ser atractiva ou repulsiva. As forças de atracção que

ocorrem entre duas partículas são causadas pela interacção de cargas eléctricas provenientes

dos respectivos pólos com sinais contrários, designadas por forças de van der Waals. As forças

de repulsão são causadas por iões em torno das partículas com a mesma carga.

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

1,40

1,60

1,80

10 15 20 25 30 35 40

Vis

cosid

ade c

inem

ática [

10

-6 m

²/s]

Temperatura [°C]

Viscosidade cinemática em função da salinidade e da temperatura

Sal = 30 ‰

Sal = 0 ‰

875,0

900,0

925,0

950,0

975,0

1000,0

1025,0

1050,0

1075,0

1100,0

1125,0

1150,0

10 15 20 25 30 35 40

massa v

olú

mic

a [kg/m

³]

Temperatura [°C]

Densidade em função da salinidade e da temperatura

Sal = 30 ‰

Sal = 10‰

Sal = 0 ‰

50

Os iões positivos do fluido são atraídos pelas partículas de argila e formam uma nuvem de iões

positivos em torno de cada uma (Teoria da Dupla Camada). A água salgada é um fluido com

elevada concentração de iões positivos de sódio (Na+), o que provoca a compressão da dupla

camada, predominando neste caso as forças atractivas entre as partículas (van Rijn, 1993).

Com a junção de partículas vão formar-se agregados, designados por flocos, cujo peso e

velocidade de sedimentação vão ser maiores que os dos sedimentos na sua individualidade.

É referido que a partir de salinidades no valor de 10‰ é possível observar com claridade o

efeito de salinidade na velocidade de sedimentação e que, no caso de concentrações de

sedimentos superiores a 1000 mg/l, esse aumento é praticamente linear.

Contudo, existem outros factores que podem influenciar o efeito da salinidade tais como o

aumento da temperatura, que vai reduzir as forças repulsivas e aumentar a floculação, e a

matéria orgânica, que devido às forças biogénicas, vai potencializar o referido processo (van

Rijn, 1993).

Como no cálculo da velocidade pela lei de Stokes se utilizaram apenas os diâmetros das

partículas sem se considerar a floculação, o peso volúmico aparente não será o adequado. Na

realidade, não diminui, aumenta com a salinidade.

É de referir, no entanto, que as velocidades que foram utilizadas para comparação são apenas

valores aproximados, uma vez que se utilizaram por um lado, velocidades médias obtidas a

partir de um conjunto de instantes de tempo e, por outro, velocidades obtidas a partir de um

diâmetro mediano. Isso comprova-se no caso do primeiro ensaio, em que o teor de salinidade é

nulo e os diâmetros das partículas são, supostamente, semelhantes aos determinados na

análise granulométrica. A velocidade média obtida no ensaio e a velocidade calculada pela lei

de Stokes são diferentes.

5.5 Conclusões

Pôde-se observar que a amostra retirada da Marina do Parque das Nações, depois de passada

por um peneiro de 63 µm, apresenta uma grande quantidade de quartzo (cerca de 40%). Mas

mais de metade das amostras são minerais argilosos filossilicatos (cf Tabelas 5.4).

A nível granulométrico, a amostra apresenta sedimentos com diâmetro mediano de 9 µm, cerca

de 80% dos sedimentos apresentam diâmetros entre os 2 µm e os 37 µm (D50=9 µm; D10=2

µm; D90=37 µm).

Trata-se de uma amostra com cerca de 10% de matéria orgânica.

Fez-se uma comparação entre a velocidade determinada em laboratório e a velocidade

calculada através da Lei de Stokes. A primeira aumentou com o nível de salinidade no líquido.

Na segunda, consideraram-se as mesmas condições e o diâmetro das partículas como sendo o

mediano. Neste caso, a velocidade diminui ligeiramente com o nível de salinidade na água,


51

uma vez que a viscosidade e a densidade do líquido aumentam. Apresentam-se na Tabela

5.11 as duas velocidades estudadas para a comparação conclusiva.

Tabela 5.11: velocidades calculadas a partir da Lei de Stokes e a partir da equação diferencial de conservação da massa.

Ensaio WsStokes Wslaboratorlal

(mm/s) (mm/s)

1 0,079 0,113

2 0,076 0,187

3 0,073 0,259

4 0,069 0,274

5 0,068 0,296

Contudo, esta diferença de resultados advém de, na Lei de Stokes, se terem considerado

apenas os comportamentos físicos, excluindo os químicos, presentes na interacção entre os

iões dos minerais argilosos e os iões de sódio, e biológicos, devido à elevada quantidade de

matéria orgânica. Estes efeitos vão favorecer a floculação dos sedimentos, formando

agregados de maiores dimensões, aumentando o peso aparente dos mesmos.

Confirmou-se através do ensaio da coluna de sedimentação que a salinidade da água pode

causar um impacto significativo no que diz respeito à sedimentação de partículas finas.


53

6 Conclusões e considerações finais

Os sedimentos finos predominam essencialmente nos estuários, transportados através das

correntes fluviais e de maré, que, devido à reduzida corrente e elevada concentração de

partículas, se depositam nas margens, nos planos mais elevados do mesmo.

No caso das bacias portuárias, pelos mesmos motivos, há também uma elevada deposição de

sedimentos, associada essencialmente às correntes de maré e de densidade. Nestes casos é

necessário ter em conta o problema de assoreamento no dimensionamento da bacia, existindo

actualmente várias medidas de mitigação.

Estudando com mais pormenor as características dos sedimentos finos, verificou-se que

apresentam propriedades coesivas, provenientes dos minerais argilosos que constituem, que

vão promover a floculação entre as partículas. Verificou-se também que, para além de outros

factores, o efeito de salinidade é importante na floculação, uma vez que a água salgada

apresenta características químicas que vão aumentar a coesão entre partículas devido a forças

atractivas.

O caso de estudo a que se recorreu, a Marina do Parque das Nações, sofreu elevados

problemas, de entre os quais a obstrução da mesma, tendo-se encontrado encerrada durante

algum tempo, quando se analisavam novas medidas de mitigação para reduzir os custos de

manutenção, uma vez que necessitava de dragagens muito frequentes. A análise do efeito de

salinidade na deposição de sedimentos vai ser importante uma vez que a salinidade varia,

podendo a vir a influenciar o assoreamento, tornando-se um factor de agravamento ou redução

do mesmo.

Analisando laboratorialmente uma amostra retirada da marina, verificou-se que apresenta uma

elevada percentagem de minerais argilosos filossilicatos.

Depois de se realizar o ensaio da coluna de sedimentação, confirmou-se que o aumento do

nível de salinidade no líquido vai aumentar as propriedades coesivas entre as partículas,

aumentando a floculação e conduzindo a uma elevada velocidade de queda dos sedimentos.


55

7 Referências Bibliográficas

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56

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Página Internet consultada:

[W1] ArcGIS for Ocean Use Planning (https://oceanuseplanning.maps.arcgis.com), consultado

a 20/02/2013


57

Anexos

Anexo A. 1: os quebramares flutuantes constituídos por elementos em caixotões de betão

armado, interligados por intermédio de parafusos de aço inox e respectiva ligação com estacas

de betão armado encastradas no estrato de fundação resistente, em 1998. ................................ I

Anexo A. 2: envasamento das bacias após a instalação de quebramares convencionais de

talude em enrocamento, em 2004.................................................................................................. I

Anexo A. 3: sistema de comportas instaladas na Marina do Parque das Nações, actualmente. . I

Anexo B. 1: tempo de colheita calculado pela lei de Stokes, a uma determinada temperatura e

a diferentes alturas de colheita. .................................................................................................... II

Anexo C. 1: registos difractométricos da amostra com agregado não orientado (adapt. Silva,

2011). ........................................................................................................................................... III

Anexo C. 2: registos difractométricos da amostra global e fina, agregado orientado (adapt.

Silva, 2011). .................................................................................................................................. III

Anexo C. 3: registos difractométricos da amostra fina, com agragado orientado tal qual e com

trstamento de etilenoglicol (adapt. Silva, 2011). .......................................................................... IV

Anexo D. 1: resultados em tabela e em curva da frequencia e curva relativa - Run 1. ............... VI

Anexo D. 2: resultados em tabela e em curva da frequência e curva relativa - Run 2. .............. VII

Anexo D. 3: resultados em quadro e em curva de frequência e curva relativa – Run 3. ............. IX

Anexo F. 1: concentrações em cada instante ao longo da profundidade no ensaio 1. .............. XII

Anexo F. 2: concentrações em cada instante ao longo da profundidade no ensaio 2. .............. XII

Anexo F. 3: concentrações em cada instante ao longo da profundidade no ensaio 3. ............. XIII



Anexo H. 1: Tabela de apresentação da velocidade de sedimentação em todos os instantes do

ensaio, recorrendo à equação diferencial de conservação da massa, na forma unidimensional e

à equação de Krone. ................................................................................................................ XVII

Anexo H. 2: Tabela de cálculo das velocidades de sedimentação consideradas para a análise,

recorrendo à equação diferencial de conservação da massa, na forma unidimensional e à

equação de Krone. .................................................................................................................. XVIII

58

Anexo I. 1: viscosidade cinemática em função da salinidade e da temperatura (Dessouky e

Ettouney, 2002). ........................................................................................................................ XIX

Anexo I. 2: densidade em função da salinidade e da temperatura (Dessouky e Ettouney, 2002).

................................................................................................................................................... XIX

Anexo G. 1: Tabela da análise laboratorial do ensaio 2 ............................................................ XV


I

Anexo A

Anexo A. 1: os quebramares flutuantes constituídos por elementos em caixotões de betão armado, interligados por intermédio de parafusos de aço inox e respectiva ligação com estacas de betão armado encastradas no estrato de fundação resistente, em 1998.

Anexo A. 2: envasamento das bacias após a instalação de quebramares convencionais de talude em enrocamento, em 2004.

Anexo A. 3: sistema de comportas instaladas na Marina do Parque das Nações, actualmente.

II

Anexo B

Anexo B. 1: tempo de colheita calculado pela lei de Stokes, a uma determinada temperatura e a

diferentes alturas de colheita.

Temperatura Altura de colheita Tempo de colheita (< 2μm)

(°C) (cm)

20 20,00 15h 35min 01s

20 10,00 07h 47min 30s

20 5,00 03h 53min 45s

20 2,50 01h 56min 53s

20 1,25 00h 58min 26s

20 1,00 00h 43min 49s

21 20,00 15h 12min 00s

21 10,00 07h 36min 00s

21 5,00 03h 48min 00s

21 2,50 01h 54min 00s

21 1,25 00h 57min 00s

22 1,00 00h 42min 45s

22 20,00 14h 50min 33s

22 10,00 07h 25min 16s

22 5,00 03h 42min 38s

22 2,50 01h 51min 19s

22 1,25 00h 55min 40s

22 1,00 00h 41min 45s


III

Anexo C

Anexo C. 1: registos difractométricos da amostra com agregado não orientado (adapt. Silva, 2011).

Anexo C. 2: registos difractométricos da amostra global e fina, agregado orientado (adapt. Silva, 2011).

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

0 10 20 30 40 50 60

Conta

gens


Amostra global: agregado não orientado, aquecimento a 500ºC Amostra global: agregado não orientado

Amostra global: agregado não orientado, tratamento com etilenoglicol

Cl

Cl

Cl E

M

M M

M M Q

Q Q Q M

Q

Q

F

C

C Q

C Q Cl

K

K F F F F M Cl

C Cl

F

K E

C

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

0 10 20 30 40 50 60

Conta

gens


Amostra global: agregado orientado

Fracção fina: agregado orientado

Cl

Cl

Cl E

M

M M

M M Q

Q Q Q M

Q

Q

F

C

C Q

C Q Cl

K

K F F F F M

Cl C

Cl F

E

K

C

IV

Anexo C. 3: registos difractométricos da amostra fina, com agragado orientado tal qual e com trstamento de etilenoglicol (adapt. Silva, 2011).

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

0 10 20 30 40 50 60

Conta

gens

Posição [2ºTheta]

Fracção fina: agregado orientado

Fracção fina: agregado orientado, tratamento com etilenoglicoll

Cl

Cl

Cl E

M

M M

M M

Q Q Q

M

Q

Q E

C

C Q

C Q C

K

F

M C

Cl

E

K

C

M M

C E K

M


V

Anexo D

Result: Derived Diameters Table

ID: ParqueNacoes Run No: 1 Measured: 2011-3-23 14:51

File: PNACOES Rec. No: 1 Analy sed: 2011-3-23 14:51

Path: C:\DOCUME~1\ENSAIOS\MYDOCU~1\RESULT~1\PFREIRE\ Source: Analy sed

Sampler: Internal Measured Beam Obscuration: 16.7 %

Presentation: 4OJD Analy sis: Poly disperse Residual: 0.410 %

Modif ications: None

Conc. = 0.0117 %Vol Density = 2.650 g/cm 3̂ S.S.A.= 0.5170 m 2̂/g

Distribution: Volume Span = 3.852E+00 Unif ormity =1.348E+00

A.S.T.M Deriv ed Diameters (um)

N 3 2 1 0

D[4, N]

D[3, N]

D[2, N]

D[1, N]

16.59 8.52 4.51 2.77

4.38 2.35 1.53

1.26 0.90

0.64

Distribution Moments

Mean Stan. Dev . Skewness Kurtosis

Volume

Surf ace

Length

Number

16.59 23.058 3.5944 16.6278

4.38 7.312 7.0273 92.9354

1.26 1.983 9.5829 258.1962

0.64 0.631 10.0483 321.4055

Distribution Percentiles (um) -- Volume

Percentile Size Percentile Size

10.0 % 1.98

20.0 % 3.37

50.0 % 9.10

80.0 % 22.97

90.0 % 37.03

Distribution Modal Sizes (um)

Mode Size Mode Size

1 10.81

Result: Histogram Table








Distribution: Volume D[4, 3] = 16.59 um D[3, 2] = 4.38 um

D(v , 0.1) = 1.98 um D(v , 0.5) = 9.10 um D(v , 0.9) = 37.03 um

Span = 3.852E+00 Unif ormity = 1.348E+00

Size

(um)

Volume Size

(um)

Volume Size

(um)

Volume Size

(um)

Volume

Under %

0.335 0.08

0.359 0.17

0.384 0.29

0.411 0.45

0.441 0.65

0.472 0.86

0.506 1.09

0.542 1.33

0.580 1.59

0.621 1.86

0.666 2.14

0.713 2.42

0.764 2.72

0.818 3.02

0.876 3.33

0.938 3.66

1.01 4.01

1.08 4.39

1.15 4.80

1.24 5.26

1.32 5.75

1.42 6.31

1.52 6.92

1.63 7.60

1.74 8.36

Under %

1.87 9.19

2.00 10.11

2.14 11.12

2.29 12.21

2.46 13.39

2.63 14.66

2.82 16.03

3.02 17.48

3.23 19.01

3.46 20.64

3.71 22.34

3.97 24.12

4.26 25.97

4.56 27.89

4.88 29.88

5.23 31.92

5.60 34.02

6.00 36.17

6.43 38.37

6.89 40.61

7.38 42.88

7.90 45.19

8.46 47.52

9.06 49.88

9.71 52.25

Under %

10.40 54.63

11.14 57.02

11.93 59.40

12.78 61.77

13.69 64.12

14.66 66.44

15.71 68.71

16.83 70.92

18.02 73.08

19.30 75.15

20.68 77.14

22.15 79.04

23.73 80.84

25.41 82.54

27.22 84.13

29.16 85.62

31.23 87.01

33.45 88.29

35.83 89.47

38.38 90.56

41.11 91.54

44.04 92.43

47.17 93.23

50.53 93.95

54.12 94.59

Under %

57.97 95.15

62.10 95.66

66.51 96.11

71.25 96.51

76.31 96.88

81.74 97.21

87.56 97.52

93.79 97.81

100.5 98.09

107.6 98.36

115.3 98.63

123.5 98.88

132.2 99.11

141.7 99.33

151.7 99.52

162.5 99.69

174.1 99.82

186.5 99.92

199.7 99.96

213.9 99.99

229.2 100.00

245.5 100.00

262.9 100.00

281.6 100.00

301.7 100.00

VI

Anexo D. 1: resultados em tabela e em curva da frequencia e curva relativa - Run 1.

Particle Diameter (µm.)

Volume (%)

0

10

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.1 1.0 10.0 100.0 1000.0











N 3 2 1 0

D[4, N]

D[3, N]

D[2, N]

D[1, N]

16.44 8.46 4.48 2.76

4.35 2.34 1.52

1.26 0.90

0.64



Volume

Surf ace

Length

Number

16.44 22.763 3.5804 16.5348

4.35 7.254 6.9741 91.5034

1.26 1.972 9.5535 255.0956

0.64 0.629 10.0272 319.2065



10.0 % 1.97

20.0 % 3.35

50.0 % 9.04

80.0 % 22.84

90.0 % 36.78


Mode Size Mode Size

1 10.78


VII

Anexo D. 2: resultados em tabela e em curva da frequência e curva relativa - Run 2.










D(v , 0.1) = 1.97 um D(v , 0.5) = 9.04 um D(v , 0.9) = 36.78 um


Size

(um)

Volume Size

(um)

Volume Size

(um)

Volume Size

(um)

Volume

Under %

0.335 0.08

0.359 0.17

0.384 0.29

0.411 0.46

0.441 0.65

0.472 0.87

0.506 1.10

0.542 1.35

0.580 1.61

0.621 1.88

0.666 2.16

0.713 2.45

0.764 2.74

0.818 3.05

0.876 3.37

0.938 3.70

1.01 4.06

1.08 4.44

1.15 4.86

1.24 5.32

1.32 5.82

1.42 6.38

1.52 7.00

1.63 7.69

1.74 8.45

Under %

1.87 9.29

2.00 10.22

2.14 11.23

2.29 12.33

2.46 13.52

2.63 14.80

2.82 16.17

3.02 17.63

3.23 19.18

3.46 20.81

3.71 22.52

3.97 24.31

4.26 26.17

4.56 28.10

4.88 30.09

5.23 32.14

5.60 34.24

6.00 36.40

6.43 38.60

6.89 40.83

7.38 43.11

7.90 45.41

8.46 47.74

9.06 50.09

9.71 52.46

Under %

10.40 54.84

11.14 57.22

11.93 59.60

12.78 61.97

13.69 64.31

14.66 66.62

15.71 68.89

16.83 71.10

18.02 73.24

19.30 75.31

20.68 77.30

22.15 79.19

23.73 80.98

25.41 82.68

27.22 84.26

29.16 85.75

31.23 87.13

33.45 88.40

35.83 89.58

38.38 90.66

41.11 91.64

44.04 92.52

47.17 93.32

50.53 94.04

54.12 94.68

Under %

57.97 95.24

62.10 95.75

66.51 96.20

71.25 96.60

76.31 96.96

81.74 97.29

87.56 97.59

93.79 97.88

100.5 98.15

107.6 98.42

115.3 98.67

123.5 98.92

132.2 99.15

141.7 99.36

151.7 99.55

162.5 99.71

174.1 99.85

186.5 99.94

199.7 99.97

213.9 99.99

229.2 100.00

245.5 100.00

262.9 100.00

281.6 100.00

301.7 100.00


Volume (%)

0

10

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.1 1.0 10.0 100.0 1000.0

VIII











N 3 2 1 0

D[4, N]

D[3, N]

D[2, N]

D[1, N]

16.64 8.52 4.50 2.77

4.36 2.34 1.52

1.26 0.90

0.64



Volume

Surf ace

Length

Number

16.64 23.277 3.6455 17.2024

4.36 7.317 7.1127 95.8749

1.26 1.975 9.6722 264.7578

0.64 0.628 10.0636 324.6396



10.0 % 1.97

20.0 % 3.35

50.0 % 9.07

80.0 % 23.09

90.0 % 37.22


Mode Size Mode Size

1 10.66










D(v , 0.1) = 1.97 um D(v , 0.5) = 9.07 um D(v , 0.9) = 37.22 um


Size

(um)

Volume Size

(um)

Volume Size

(um)

Volume Size

(um)

Volume

Under %

0.335 0.08

0.359 0.17

0.384 0.29

0.411 0.46

0.441 0.65

0.472 0.86

0.506 1.10

0.542 1.34

0.580 1.61

0.621 1.88

0.666 2.16

0.713 2.44

0.764 2.74

0.818 3.05

0.876 3.36

0.938 3.70

1.01 4.06

1.08 4.44

1.15 4.86

1.24 5.31

1.32 5.82

1.42 6.37

1.52 6.99

1.63 7.68

1.74 8.45

Under %

1.87 9.29

2.00 10.21

2.14 11.22

2.29 12.32

2.46 13.51

2.63 14.78

2.82 16.15

3.02 17.61

3.23 19.15

3.46 20.77

3.71 22.48

3.97 24.26

4.26 26.12

4.56 28.04

4.88 30.03

5.23 32.07

5.60 34.17

6.00 36.32

6.43 38.51

6.89 40.74

7.38 43.01

7.90 45.30

8.46 47.62

9.06 49.97

9.71 52.32

Under %

10.40 54.69

11.14 57.06

11.93 59.42

12.78 61.77

13.69 64.09

14.66 66.39

15.71 68.64

16.83 70.84

18.02 72.97

19.30 75.03

20.68 77.01

22.15 78.90

23.73 80.70

25.41 82.40

27.22 84.00

29.16 85.49

31.23 86.89

33.45 88.18

35.83 89.38

38.38 90.48

41.11 91.48

44.04 92.38

47.17 93.20

50.53 93.93

54.12 94.58

Under %

57.97 95.16

62.10 95.67

66.51 96.12

71.25 96.53

76.31 96.89

81.74 97.22

87.56 97.53

93.79 97.81

100.5 98.08

107.6 98.35

115.3 98.60

123.5 98.84

132.2 99.07

141.7 99.29

151.7 99.48

162.5 99.65

174.1 99.79

186.5 99.89

199.7 99.95

213.9 99.99

229.2 100.00

245.5 100.00

262.9 100.00

281.6 100.00

301.7 100.00


IX

Anexo D. 3: resultados em quadro e em curva de frequência e curva relativa – Run 3.


Volume (%)

0

10

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.1 1.0 10.0 100.0 1000.0

X

Anexo E

Anexo E. 1: evolução da concentração de sedimentos finos ao longo do tempo no ensaio 1.


0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

1,40

1,60

1,80

0 100 200 300

Concentr

ação (

g/l)

Tempo (min)


Tabuleiro 1

Tabuleiro 2

Tabuleiro 3

Tabuleiro 4

Tabuleiro 5

Tabuleiro 6

Tabuleiro 7

Tabuleiro 8

Tabuleiro 9

Tabuleiro 10

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

1,40

1,60

1,80

0 100 200 300

Concentr

ação (

g/l)

Tempo (min)


Tabuleiro 1

Tabuleiro 2

Tabuleiro 3

Tabuleiro 4

Tabuleiro 5

Tabuleiro 6

Tabuleiro 7

Tabuleiro 8

Tabuleiro 9

Tabuleiro 10


XI




0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

1,40

1,60

1,80

0 100 200 300

Concentr

ação (

g/l)

Tempo (min)


Tabuleiro 1

Tabuleiro 2

Tabuleiro 3

Tabuleiro 4

Tabuleiro 5

Tabuleiro 6

Tabuleiro 7

Tabuleiro 8

Tabuleiro 9

Tabuleiro 10

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

1,40

1,60

1,80

2,00

0 100 200 300

Concentr

ação (

g/l)

Tempo (min)


Tabuleiro 1

Tabuleiro 2

Tabuleiro 3

Tabuleiro 4

Tabuleiro 5

Tabuleiro 6

Tabuleiro 7

Tabuleiro 8

Tabuleiro 9

Tabuleiro 10

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

1,40

1,60

1,80

0 100 200 300

Concentr

ação (

g/l)

Tempo (min)


Tabuleiro 1

Tabuleiro 2

Tabuleiro 3

Tabuleiro 4

Tabuleiro 5

Tabuleiro 6

Tabuleiro 7

Tabuleiro 8

Tabuleiro 9

Tabuleiro 10

XII

Anexo F

Anexo F. 1: concentrações em cada instante ao longo da profundidade no ensaio 1.


0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

1,40

1,60

1,80

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Concentr

ação (

g/l)

Tabuleiros


Instante 1

Instante 2

Instante 3

Instante 4

Instante 5

Instante 6

Instante 7

Instante 8

Instante 9

Instante 10

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

1,40

1,60

1,80

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Concentr

ação (

g/l)

Tabuleiros


Instante 1

Instante 2

Instante 3

Instante 4

Instante 5

Instante 6

Instante 7

Instante 8

Instante 9

Instante 10


XIII




0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

1,40

1,60

1,80

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Concentr

ação (

g/l)

Tabuleiros


Instante 1

Instante 2

Instante 3

Instante 4

Instante 5

Instante 6

Instante 7

Instante 8

Instante 9

Instante 10

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

1,40

1,60

1,80

2,00

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Concentr

ação (

g/l)

Tabuleiros


Instante 1

Instante 2

Instante 3

Instante 4

Instante 5

Instante 6

Instante 7

Instante 8

Instante 9

Instante 10

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

1,40

1,60

1,80

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Co

ncen

tração

(g

/l)

Tabuleiros


Instante 1

Instante 2

Instante 3

Instante 4

Instante 5

Instante 6

Instante 7

Instante 8

Instante 9

Instante 10


XV

Anexo G

Anexo G. 1: Tabela da análise laboratorial do ensaio 2

Ensaio 2 Data 2010-Nov-15

Salinidade Temperatura OD (%) Conc. TDS OD H inicial Salininidade pH

(‰) (˚C) (%) (g/l) (g/l) (mg/l) (cm) (psu)

5 17,63 81 1,5 6,066 7,48 225 5,26 7,53

H final Tempo Nível >> 205 cm 180 cm 155 cm 130 cm 105 cm 80 cm 55 cm 30 cm 15 cm 5 cm

Cmédia Δt Ws

(cm) (min) (g/l) (s) (mm/s)

217 0

Volume (ml) 36,4 52,4 61,2 59,0 63,6 41,0 41,4 42,6 40,0 38,8

1,423 0 0,210 Mf (g) 0,089 0,090 0,089 0,088 0,087 0,089 0,087 0,087 0,090 0,089

Mfs (g) 0,137 0,161 0,175 0,170 0,177 0,149 0,149 0,151 0,147 0,145

C (g/l) 1,328 1,346 1,407 1,394 1,411 1,467 1,495 1,502 1,438 1,439

209,5 1

Volume (ml) 39,2 43,4 52,6 46,8 52,0 39,0 35,2 37,8 43,8 36,6

1,414 60 0,084 Mf (g) 0,092 0,089 0,089 0,085 0,088 0,088 0,087 0,090 0,089 0,089

Mfs (g) 0,142 0,151 0,164 0,157 0,163 0,145 0,137 0,144 0,144 0,142

C (g/l) 1,263 1,442 1,421 1,532 1,449 1,473 1,430 1,442 1,256 1,438

202,5 6

Volume (ml) 26,4 39,0 48,8 45,4 55,8 35,4 35,4 38,0 38,4 29,8

1,397 300 -0,011 Mf (g) 0,089 0,089 0,090 0,092 0,090 0,089 0,090 0,089 0,088 0,089

Mfs (g) 0,119 0,146 0,162 0,158 0,165 0,137 0,141 0,145 0,143 0,131

C (g/l) 1,145 1,445 1,477 1,445 1,356 1,366 1,441 1,469 1,434 1,396

196 16

Volume (ml) 37,8 47,6 48,4 58,2 40,0 40,8 41,2 42,0 26,8

1,402 600 0,477 Mf (g) 0,087 0,088 0,090 0,087 0,088 0,087 0,088 0,089 0,090

Mfs (g) 0,134 0,146 0,156 0,168 0,149 0,148 0,150 0,150 0,127

C (g/l) 1,250 1,236 1,379 1,384 1,518 1,476 1,515 1,459 1,402

189,5 36

Volume (ml) 24,8 55,4 47,4 58,0 39,6 41,2 38,6 39,4 21,6

0,993 1200 0,212 Mf (g) 0,089 0,090 0,089 0,087 0,089 0,089 0,089 0,089 0,089

Mfs (g) 0,106 0,137 0,139 0,138 0,130 0,132 0,135 0,132 0,113

C (g/l) 0,704 0,855 1,039 0,872 1,034 1,053 1,174 1,103 1,103

183 66

Volume (ml) 32,8 43,6 47,8 56,6 41,8 41,0 40,2 39,2 42,8

0,793 1800 0,140 Mf (g) 0,087 0,089 0,089 0,090 0,089 0,088 0,088 0,089 0,089

Mfs (g) 0,117 0,122 0,128 0,131 0,121 0,121 0,121 0,120 0,121

C (g/l) 0,932 0,742 0,821 0,718 0,770 0,790 0,825 0,783 0,759

177,5 106

Volume (ml) 17,0 41,0 43,6 51,6 59,0 38,8 39,4 39,6 35,0

0,647 2400 0,129 Mf (g) 0,087 0,089 0,089 0,089 0,089 0,090 0,089 0,089 0,088

Mfs (g) 0,102 0,113 0,117 0,120 0,121 0,115 0,114 0,116 0,110

C (g/l) 0,833 0,582 0,643 0,612 0,541 0,652 0,656 0,677 0,629

172 156

Volume (ml) 35,6 39,0 49,6 73,6 38,2 36,8 42,0 36,4

0,506 3000 0,100 Mf (g) 0,089 0,089 0,089 0,087 0,089 0,088 0,089 0,087

Mfs (g) 0,107 0,110 0,114 0,122 0,109 0,107 0,111 0,104

C (g/l) 0,484 0,533 0,504 0,465 0,525 0,534 0,531 0,471

166 216

Volume (ml) 29,2 35,8 47,6 93,8 36,4 35,6 36,4 52,4

0,400 3600 0,065 Mf (g) 0,090 0,087 0,089 0,087 0,088 0,086 0,089 0,088

Mfs (g) 0,101 0,102 0,108 0,120 0,104 0,102 0,105 0,106

C (g/l) 0,360 0,428 0,401 0,350 0,435 0,440 0,441 0,347

160 306

Volume (ml) 19,2 37,6 42,8 74,6 32,8 33,6 35,4 37,0

0,316 5400 (-) Mf (g) 0,089 0,087 0,090 0,088 0,090 0,087 0,089 0,088

Mfs (g) 0,094 0,098 0,103 0,111 0,101 0,100 0,100 0,100

C (g/l) 0,262 0,297 0,305 0,310 0,338 0,362 0,331 0,324


XVII

Anexo H

Anexo H. 1: Tabela de apresentação da velocidade de sedimentação em todos os instantes do ensaio, recorrendo à equação diferencial de conservação da massa, na forma unidimensional e à equação de Krone.

Ensaio 1 Ensaio 2 Ensaio 3 Ensaio 4 Ensaio 5

H final Tempo Δt Cmédia Ws Cmédia Ws Cmédia Ws Cmédia Ws Cmédia Ws

(cm) (min) (s) (g/l) (mm/s) (g/l) (mm/s) (g/l) (mm/s) (g/l) (mm/s) (g/l) (mm/s)

217 0 60 1,4074 -1,2842 1,4227 0,2098 1,4654 0,7828 1,3883 -0,4350 1,4335 -0,4673

209 1 300 1,4573 0,0191 1,4145 0,0838 1,4337 0,0191 1,4050 -0,4072 1,4520 0,0806

203 6 600 1,4533 0,0659 1,3975 -0,0112 1,4298 0,0921 1,4871 0,3021 1,4352 0,3147

196 16 1200 1,4250 0,3242 1,4021 0,4765 1,3909 0,6175 1,3543 0,7807 1,3017 0,9388

189,5 36 1800 1,1422 0,1402 0,9930 0,2118 0,8651 0,4074 0,7070 0,4290 0,5535 0,4917

183,5 66 2400 0,9901 0,1036 0,7933 0,1408 0,5303 0,1715 0,4189 0,2472 0,2950 0,2024

178 106 3000 0,8559 0,0472 0,6472 0,1295 0,4114 0,1741 0,2835 0,1762 0,2169 0,0595

172,5 156 3600 0,7878 0,0442 0,5059 0,1001 0,2907 0,1354 0,1993 0,0536 0,1951 0,0711

167,5 216 5400 0,7151 0,0199 0,4002 0,0651 0,2086 0,0472 0,1770 0,0662 0,1662 0,0096

162,5 306 (-) 0,6691 (-) 0,3163 (-) 0,1768 (-) 0,1392 (-) 0,1610 (-)

XVIII

Anexo H. 2: Tabela de cálculo das velocidades de sedimentação consideradas para a análise, recorrendo à equação diferencial de conservação da massa, na forma unidimensional e à equação de Krone.

Δt Cn Cn+1 (Cn)-(Cn+1) ((Cn)+(Cn+1))/2 Ws

(s) (g/l) (g/l) (-) (-) (mm/s)

Ensaio 1

1200 1,4250 1,1422 0,2828 1,2836 0,3242

1800 1,1422 0,9901 0,1521 1,0661 0,1402

2400 0,9901 0,8559 0,1342 0,9230 0,1036

3000 0,8559 0,7878 0,0681 0,8218 0,0472

3600 0,7878 0,7151 0,0727 0,7514 0,0442

5400 0,7151 0,6691 0,0460 0,6921 0,0199

Ensaio 2

1200 1,4021 0,9930 0,4091 1,1975 0,4765

1800 0,9930 0,7933 0,1997 0,8931 0,2118

2400 0,7933 0,6472 0,1461 0,7202 0,1408

3000 0,6472 0,5059 0,1413 0,5765 0,1295

3600 0,5059 0,4002 0,1056 0,4531 0,1001

5400 0,4002 0,3163 0,0840 0,3583 0,0651

Ensaio 3

1200 1,3909 0,8651 0,5258 1,1280 0,6175

1800 0,8651 0,5303 0,3347 0,6977 0,4074

2400 0,5303 0,4114 0,1190 0,4709 0,1715

3000 0,4114 0,2907 0,1207 0,3510 0,1741

3600 0,2907 0,2086 0,0821 0,2496 0,1354

5400 0,2086 0,1768 0,0318 0,1927 0,0472

Ensaio 4

1200 1,3543 0,7070 0,6473 1,0307 0,7807

1800 0,7070 0,4189 0,2881 0,5630 0,4290

2400 0,4189 0,2835 0,1354 0,3512 0,2472

3000 0,2835 0,1993 0,0842 0,2414 0,1762

3600 0,1993 0,1770 0,0223 0,1882 0,0536

5400 0,1770 0,1392 0,0378 0,1581 0,0662

Ensaio 5

1200 1,3017 0,5535 0,7482 0,9276 0,9388

1800 0,5535 0,2950 0,2585 0,4242 0,4917

2400 0,2950 0,2169 0,0781 0,2559 0,2024

3000 0,2169 0,1951 0,0217 0,2060 0,0595

3600 0,1951 0,1662 0,0289 0,1807 0,0711

5400 0,1662 0,1610 0,0051 0,1636 0,0096


XIX

Anexo I

Anexo I. 1: viscosidade cinemática em função da salinidade e da temperatura (Dessouky e Ettouney, 2002).

Anexo I. 2: densidade em função da salinidade e da temperatura (Dessouky e Ettouney, 2002).

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

1,40

1,60

1,80

0 50 100 150

Vis

cosid

ade c

inem

ática [

10

-6 m

²/s]

Temperatura T [°C]

Viscosidade cinemática em função da salinidade e da temperatura

Sal = 120 ppt

Sal = 90 ppt

Sal = 60 ppt

Sal = 30 ppt

Sal = 0 ppt

875,0

900,0

925,0

950,0

975,0

1000,0

1025,0

1050,0

1075,0

1100,0

1125,0

1150,0

0 50 100 150

Densid

ade

[kg/m

³]

Temperatura T [°C]

Densidade em função da salinidade e da temperatura

Sal = 150 ppt

Sal = 130 ppt

Sal = 110 ppt

Sal = 90 ppt

Sal = 70 ppt

Sal = 50 ppt

Sal = 30 ppt

Sal = 10 ppt

Sal = 0 ppt

efeito da salinidade sobre a velocidade de queda de ... · efeito da salinidade sobre a velocidade...

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