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MONITORAMENTO AUTOMÁTICO DA CONCENTRAÇÃO DE SEDIMENTOS EM SUSPENSÃO NA BACIA HIDROGRÁFICA DO CAETÉ, ALFREDO WAGNER/SC
VESTENA, Leandro Redin1
LUCINI, Henrique2
KOBIYAMA, Masato3
Resumo O presente artigo tem por objetivo apresentar os procedimentos básicos adotados para o monitoramento automático da concentração de sedimentos em suspensão (SS) na bacia hidrográfica do Caeté, município de Alfredo Wagner/SC. O método utilizado pautou-se na escolha de equipamentos, local de instalação, calibração de sensor, instalação de estação e coleta de dados monitorados. Os resultados obtidos apontam uma grande variabilidade temporal da concentração de SS, o que reforça a importância do monitoramento automático. Os procedimentos adotados mostraram-se satisfatórios na determinação da concentração de SS na bacia hidrográfica do Caeté. No entanto, dados da concentração de SS obtidos por meio da relação com a turbidez devem ser usados com cautela e devem ser validados a partir de dados observados diretamente em campo. Palavras-chave: Monitoramento automático; concentração de sedimento em suspensão; turbidez.
1. Introdução
Os processos hidrossedimentológicos são complexos e compreendem a
desagregação (“erosão” na definição estrita), o transporte, a sedimentação, a consolidação
de sedimentos.
No Brasil, os sedimentos resultantes do processo de erosão acabam sendo
transportados principalmente pela ação do escoamento da águas influenciado pelas
condições locais e a granulometria dos sedimentos. De acordo com Carvalho (1994) o
transporte de sedimento ocorre principalmente nos cursos de água, sendo que 70 a 90% da
quantidade transportada ocorrem no período das chuvas, assim como a erosão.
O transporte de sedimento fluvial é realizado de diferentes formas compondo a carga
dissolvida e a carga sólida. As formas de transporte sólidas são: (1) carga sólida de arrasto;
(2) carga sólida em suspensão; e (3) carga do leito ou saltante. As cargas em suspensão e
dissolvida são transportadas na mesma velocidade em que a água flui. Assim como que a
1 Bolsista CNPq. Professor do Departamento de Geografia da UNICENTRO. Pós-Graduando em Engenharia Ambiental pela UFSC. E-mail: [email protected] 2 Bolsista CNPq. Graduando em Engenharia Ambiental e Sanitária pela UFSC. E-mail: [email protected] Bolsista CNPq. Professor do Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental da UFSC. E-mail: [email protected]
carga sólida saltante e de arrasto representam entre 10 e 20% da carga em suspensão,
enquanto em rios anastomosados a carga de leito pode exceder 50% da carga total (Suguio
e Bigarella, 1990).
“A carga dissolvida compreende os constituintes intemperizados das rochas que são
transportados em solução química pelas águas fluviais e subterrâneas” (Christofoletti, 2002).
A composição química das águas fluviais varia de acordo com a litologia, a vegetação e a
utilização do solo da bacia hidrográfica (Silva et al., 2003).
A carga sólida em suspensão compreende as partículas de granulometria reduzida
(silte e argila) que por serem pequenas se conservam em suspensão pelo fluxo turbulento.
Ward e Trimble (1995) afirmam que a carga em suspensão pode representar mais de 90%
do material total transportado. As partículas de granulometria maior, como as areias e
cascalhos, são roladas, deslizadas ou saltam ao longo do leito dos rios.
Diante dos fatores que afetam o transporte de sedimento fluvial vale dizer que as
condições locais, como natureza geológica, tipo de uso da terra, dissecação do relevo, tipo
de solo e o clima exercem significativa importância no regime hidrossedimentológico
(Hasnain e Thayyen, 1999).
Além de alterar o canal de drenagem fisicamente, os sedimentos nos cursos fluviais
alteram também as características físicas e químicas das águas. Um dos principais
problemas relacionados à deterioração da qualidade da água dos rios vincula-se ao
desequilíbrio no aporte de sedimentos finos nos canais, produzindo turbidez. O sedimento é
uma significativa fonte de poluição, por sua concentração na água, seus impactos no uso da
água e seus efeitos no transporte de outros poluentes (Ward e Elliot, 1995).
Apesar da importância dos estudos hidrossedimentológicos na gestão integrada dos
recursos naturais, estes se processam com lentidão, muitas vezes decorrente de que
coletas regulares de dados e amostras, trabalhos de laboratório, processamento de dados, e
estimativas de parâmetros são onerosos do ponto de vista de tempo e recursos, além de
exigir muito esforço.
A quantidade de sedimento em suspensão (SS) pode varia consideravelmente no
tempo. Um dos grandes problemas tem sido como entender a dinâmica dos sedimentos em
suspensão a partir de medições pontuais em intervalos de tempo relativamente grandes.
Pois, medições diárias podem esconder variações significativas de sedimento transportado
em suspensão, principalmente em pequenas e médias bacias hidrográficas.
Neste sentido, o monitoramento, entendido como um processo contínuo de medição
das características de determinado fenômeno, torna-se fundamental para a compreensão
deste fenômeno (Kobiyama et al., 2006). A avaliação correta do transporte de SS é um dos
fatores para a caracterização de bacias hidrográficas, quantificação de impactos do manejo
do terreno e alterações antrópicas e para estimar a sedimentação de reservatórios, lagos e
estuários (Fill e Santos, 2001).
O presente trabalho tem por objetivo apresentar procedimentos básicos adotados
para o monitoramento automático da concentração de sedimentos em suspensão na bacia
hidrográfica do Caeté, município de Alfredo Wagner/SC. Pois, a medição automática da
concentração de SS em pequenos intervalos de tempos fornece informações mais
detalhadas para subsidiar a tomada de decisões e um planejamento de manejo dos
recursos naturais.
2. Área de estudo
A bacia hidrográfica do Caeté, com aproximadamente 163 km² de área, localiza-se
no município de Alfredo Wagner, região serrana do Estado de Santa Catarina, entre as
latitudes 27° 52’ 43’’ S e 27° 41’ 49’’ S e longitudes 49° 20’ 45’’ W e 49° 11’ 17’’ W (Figura 1).
R i o P e r i t o
Rio S
anto Ângelo
R i o C a e t é
B A C I A H I D R O G R Á F I C A D O C A E T É
S A N T A C A T A R I N A
A L F R E D O W A G N E R
2 0 2 4 K m
6 6 4 0 0 0
6 6 4 0 0 0
6 6 8 0 0 0
6 6 8 0 0 0
6 7 2 0 0 0
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6 7 6 0 0 0
6 7 6 0 0 0
691
6000
691
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0
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00
69320
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S A N T A C A T A R I N A
Figura 1 – Localização da bacia hidrográfica do Caeté
O Rio Caeté é formado pelos Rios Santo Ângelo e Perito com nascentes em altitudes
de 1140 e 1600 metros, respectivamente. Segundo Vestena et al. (2006) a bacia apresenta
alta densidade de rios e de drenagem, decorrentes principalmente do relevo fortemente
dissecado, caracterizadas pelo predomínio de corredeiras, saltos e cachoeiras.
O relevo é extremamente ondulado com encostas íngremes, onde atividades de uso
inadequadas do solo na bacia tornam mais suscetíveis as ocorrências dos processos
erosivas, destacam Checchia et al. (2006).
O clima predominante na bacia do Rio Caeté é o mesotérmico úmido, com verões
frescos e temperaturas anuais médias entre 16ºC e 20ºC, inverno frio, com a ocorrência de
geadas e verão amenizado pelas altitudes. As chuvas são abundantes e distribuídas ao
longo do ano, com precipitações anuais em torno de 1700 mm (Santa Catarina, 1986).
A geologia na bacia do Rio Caeté é constituída praticamente por camadas
horizontais de arenito, siltitos, argilitos e folhelhos pertencentes à Bacia do Paraná (Shimizu
et al., 1995).
Os solos na bacia apresentam fertilidade natural muito baixa e estão associados
principalmente a Cambissolos (90% da área total) e Neossolos (Checchia, 2005). De acordo
com Sachet (1994) os Cambissolos se apresentam com seqüência incompleta de
horizontes, com pouca diferenciação entre si, bem drenados e com alta retenção de
umidade. O horizonte A é no geral do tipo proeminente. É cascalhento e sua textura varia de
média a argilosa, possuindo elevados teores de silte, alta capacidade de troca catiônica e
horizonte B pouco espesso.
Segundo Viecile (2005), o uso da terra é caracterizado por matas (61%),
reflorestamento (3%), campo (32%), solos expostos (2%) e cultivos (2%). A principal
atividade agrícola é o cultivo da cebola, associada geralmente com lavouras de feijão e
milho, no geral, em pequenas propriedades.
3. Materiais e procedimentos adotados
3.1. Equipamentos utilizados
Uma das alternativas a medição contínua da concentração de SS, deve-se ao fato de
ser possível monitorar a turbidez da água por meio de sensores automáticos.
A turbidez pode ser definida como a dificuldade da passagem de um feixe de luz por
uma amostra, causada por absorção e espalhamento do mesmo ao entrar em contato com
as partículas dissolvidas presentes. As unidades usadas para medir a turbidez são
vinculadas ao tipo de instrumento utilizado, destacam-se a NTU para o turbidímetro
nefelométrico, FTU para os aparelhos baseado na observação da luz e a profundidade para
o disco de Secchi.
No entanto, destaca-se que a relação turbidez concentração de SS apresentam
algumas limitações, dado ao fato de que às partículas finas possuem turbidez específica
muito maior que as partículas grossas, a medida de turbidez é muito sensível à
concentração de materiais finos e pouco sensíveis à areia (Morris e Fan, 1997).
Carvalho et al. (2004) estudando as relações entre a concentração de SS e a
turbidez em duas pequenas bacias no município de Santa Maria, Estado do Rio Grande do
Sul, destacaram que a presença de areia na composição do material em suspensão
prejudicou a sensibilidade do turbidímetro, sendo seu uso limitado.
Porém, segundo Santos et al. (2001), sensores de turbidez calibrados apresentam
uma excelente correlação linear entre concentração e turbidez para determinado tamanho e
composição de partículas suspensas. Destacam também que a turbidez é um indicador
melhor do que a descarga líquida para estimar a concentração de SS, além de
possibilitarem a medição contínua da mesma.
Para as bacias hidrográficas do sudoeste paranaense, de acordo com Tomazoni et
al. (2005) a relação turbidez concentração de SS apresenta índice de correlação positivo em
torno de 0,6937, podendo dessa forma ser utilizada.
No Rio Caeté pode-se observar visualmente que as águas ficam extremamente
turvas, durante eventos de chuva. Isto permite supor índices de turbidez consideráveis pela
presença predominantemente de materiais finos, decorrentes da natureza argilosa dos solos
existentes na área de drenagem. Diante disso, optou-se por uma estação sedimentológica
automática que mede a concentração de SS a partir da turbidez.
A estação automática sedimentológica escolhida foi a produzida pela empresa Solar
Instrumentação LTDA, com sede na cidade de Florianópolis/SC. Esta se deu devido ao
custo, ser um equipamento nacional e pela assistência técnica local.
Os componentes básicos da estação automática de sedimento são: sensor de
sedimentos SL 2000-TS, data logger SL2000MIM, painel solar (conversor fotovoltaico),
bateria 12V - 7.A.h, software (configuração da estação e coleta de dados) e gabinete
resistente a intempéries.
Os dados sedimentológicos passam a ser obtidos por meio de um sensor de turbidez
e sedimentos SL 2000-TS para medir as partículas em suspensão, a partir da luz
infravermelha imune a cor da água, na faixa de medição de sedimento em suspensão de 0 ~
5000 ppm e de turbidez de 0 ~ 2500 NTU formazina.
3.2. Escolha do local de instalação dos equipamentos
O local para a instalação da estação automática de sedimento foi definido pela
existência da estação fluviométrica automática Baixo Caeté que realiza a medição da altura
do nível da água do curso fluvial. A presença das duas estações na mesma seção do curso
fluvial viabiliza análises futuras que venham relacionar vazão e concentração de SS.
A posição da instalação do sensor junto ao curso fluvial observou aspectos de
segurança e de funcionamento do mesmo. O Rio Caeté apresenta picos de vazões
significativas durante os eventos pluviométricos extremos, principalmente, com a presença
de altas velocidades das águas, que acabam transportando tronco de árvores, galhos,
matacões, entre outros objetos que podem danificar o sensor. Para tal, protegeu-se o
mesmo em um cilindro de aço de 100 mm que foi posicionado atrás de uma das colunas da
ponte do rio. Além de estar protegido da incidência direta dos raios solares pela ponte, que o
sombreia evitando interferências na medição da concentração de sedimentos em
suspensão.
A instalação da torre, para fixação do painel solar e o data logger, ficou localizada no
jardim de uma residência próxima, para se evitar vândalos.
3.3. Calibração do sensor de sedimentos em suspensão
A calibração do sensor de SS foi realizada com base na relação entre sinal mV e a
quantidade de SS, a partir dos resultados de uma amostra de solo composta, coletada em
23 de novembro de 2005, de 26 amostras, obtidas em áreas homogêneas e representativas
da bacia do Rio Caeté, considerando-se tipo de solo, topografia (declividade, direção do
fluxo, acúmulo de água, porção da vertente), tipo de uso (pastagem; agricultura – cebola,
feijão, milho; solo exposto, queimada), estradas e caminhos (margens), e deslizamentos.
A amostra de solo foi analisada em laboratório por meio da retirada de materiais que
não sejam solo através de peneiramento e outros métodos, posteriormente foi retirada da
amostra a umidade com a utilização da estufa, em seguida a amostra, material residual, foi
pesada em uma balança de precisão. A partir de um volume de água ionizada e filtrada
(filtro de 400 ˜ 500 micron), criou-se uma ‘solução mãe’, diluindo muito uniformemente a
massa no volume preparado, obtendo aí a relação inicial de concentração, a diluição foi
repetida várias vezes para se obter o range de interesse, haja vista a variação na
quantidade de sedimento em suspensão transportada pelo curso fluvial (Solar
Instrumentação LTDA, 2006).
Em seguida no laboratório o sensor de sedimentos foi instalado em cada uma das
amostras diluídas que se conhecia a concentração de sedimento em suspensão, obtendo-se
a Tabela 1. A partir da Tabela 1 obteve-se a curva de sedimento, Figura 2, utilizada para a
calibração do sensor de sedimento.
Tabela 1 – Dados do sinal mV do sensor de SS e a concentração de SS em mg/L
Sinal do sensor de sedimento em suspensão - (Nº. Série: 1080520006) (mV)
Concentração de SS diluídos (mg/L)
110 0 235 255 520 1255 1280 3789,4 1520 4736,8 1850 6315,7
FONTE: Solar Instrumentação LTDA (2006)
y = 0,0006x2 + 2,4231x - 276,54R2 = 0,9993
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
0 500 1000 1500 2000
mV
mg/
L
Figura 2 – Curva de calibração do sensor de sedimentos
3.4. Instalação e configuração da estação sedimentológica automática
A estação sedimentológica automática foi instalada na ponte do Rio Caeté, na
interseção da longitude 49º 20’ 01” W com a latitude 27º 42’ 18” S, a 475 metros de altitude.
A instalação do sensor de sedimento foi realizada em períodos de estiagem. Desta
forma beneficiou-se do pequeno volume de água do rio para desenvolver e fixar
adequadamente e com segurança o suporte e o sensor de sedimento, haja vista a forte
correnteza apresentada pelo rio em épocas de chuvas (Figura 3).
B
A
D
C
FOTOS: VESTENA, L. R. (Ago/Set 2006)
Figura 3 – Elementos da instalação do sensor de sedimentos: A – Curso fluvial após evento
pluviométrico; B – Local e suporte do sensor de sedimento fixado; C – Torre (datalogger e
sensor solar); e D – Sensor de sedimentos
Para viabilizar a instalação da estação sedimentológica automática, foram
necessárias diversas visitas em campos, algumas interrompidos por eventos de chuva que
alteravam completamente o caudal fluvial e inviabilizavam qualquer tentativa de instalação
do sensor no curso fluvial.
O sensor de sedimento mede a concentração de SS em um único ponto, sendo
assim o sensor foi posicionado visando o meio da profundidade de água e em uma vertical
escolhida.
A estação foi programada para realizar a medida da concentração de sedimento em
suspensão a cada intervalo de tempo de 10 minutos. Os dados medidos pelo sensor de
sedimentos são armazenados em um data-logger com capacidade para aproximadamente
65000 dados.
3.5. Coleta dos dados monitorados
A coleta de dados monitorados era realizada por meio de visitas esporádicas a
estação sedimentológica, em intervalo de tempos não superior a 30 dias. Os dados medidos
e armazenados na memória do data-logger são copiados e excluídos com o auxílio do
software SL2000Manager. Assim como a configuração da estação sedimentológica, no que
tange, a tempo entre duas medidas e o tempo até o início das medidas. Estes
procedimentos são realizados utilizando-se de um notebook que é conectado ao data-
logger.
Outro procedimento adotado nas visitas a estação sedimentológica era o de verificar
e limpar o sensor de sedimentos com algodão, visto que o mesmo fica sujeito à ação de
agentes dissolvidos na água e de algas que podem se estabelecer neste, e vir a mascarar
os dados obtidos.
3.6. Dados monitorados
A concentração de SS na bacia do rio Caeté vem sendo realizada desde 14 de
setembro de 2006. A Figura 4 mostra um intervalo de dados da concentração de sedimentos
em suspensão monitorados. Os mesmos referem-se a dados do período de 00:00:00 horas
de 18/Set/2006 a 13:00:00 horas de 29/Set/2006 obtidos em intervalos de 10 minutos.
Nesta pode-se verificar a grande oscilação existente na quantidade de sedimento em
suspensão, justificando a necessidade do monitoramento constante.
0200400600800
100012001400160018002000
18-se
t-06
19-se
t-06
20-se
t-06
21-se
t-06
22-se
t-06
23-se
t-06
24-se
t-06
25-se
t-06
26-se
t-06
27-se
t-06
28-se
t-06
29-se
t-06
Tempo (10 min)
Con
cnet
raçã
o de
SS
(mg/
L)
Figura 5 – Variação de concentração de SS no período de 18 a 29 de setembro de 2006
4. Conclusões e considerações
Os procedimentos adotados para a medição contínua da concentração de SS
permitem a obtenção de dados para pequenos intervalos de tempo, o que favorece na
compreensão da dinâmica hidrossedimentológica da bacia hidrográfica.
Contudo, destaca-se que os dados monitorados por estação sedimentológica
automática devem ser validados com dados pontuais diretos coletados em campo e
analisados em laboratório, para condições pluviométricas e fluviométricas diferenciadas.
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