Sedimentos e hidrologia Transporte de sedimentos em rios e canais

1. Sedimentos e hidrologia Transporte de sedimentos em rios e canais Walter Collischonn IPH UFRGS

3. Transporte de sedimentos em rios e canais Forças sobre partículas imersas Início do movimento Modalidades de transporte de material material flutuante material dissolvido sedimentos Modalidades de transporte de sedimento wash-load (lavagem) bed-material load (transporte de material do leito) em suspensão como descarga de fundo

4. Forças sobre partículas imersas

5. Início do movimento - Shields Shields analisou o problema do início do movimento de partículas de sedimentos. Procurou entender as forças que agiam sobre uma partícula: Peso ou inércia: tende a resistir ao início de movimento Arrasto e sustentação: tendem a movimentar a partícula

6. Peso ou inércia Força pode ser descrita por uma equação do tipo acima, onde: g é a aceleração da gravidade dp é o diâmetro da partícula (sedimento) rs é a massa específica do sedimento r é a massa específica da água KG é uma constante que depende da forma da partícula

7. Arrasto e sustentação Força pode ser descrita por uma equação do tipo acima, onde: dp é o diâmetro da partícula (sedimento) r é a massa específica da água KD é uma constante que depende da forma da partícula U é a velocidade da água junto à partícula

8. Arrasto e sustentação E qual é a velocidade U? Sabemas que a velocidade não é constante, sendo menor próxima do fundo. A velocidade adotada neste caso é a velocidade de cisalhamento u* , que pode ser entendida como uma velocidade representativa da região próxima ao fundo.

9. Arrasto e sustentação E como estimar a velocidade de cisalhamento u*? da Mecânica de Fluidos ou da Hidráulica deveríamos lembrar que:

10. Tensão de cisalhamento junto ao fundo Força peso sobre um volume de água Componente na direção do escoamento (para S pequeno):

11. Tensão de cisalhamento junto ao fundo Se o escoamento é permanente e uniforme, e o rio é largo, força peso é anulada por força de atrito junto ao fundo.

12. Tensão de cisalhamento junto ao fundo Assumindo que a força de atrito ocorra em toda a área da base do volume, e que Volume = h . Área da base podemos igualar a tensão de cisalhamento ao peso

13. Portanto...

14. O trabalho de Shields Shields identificou duas variáveis adimensionais: Relação entre forças Número de Reynolds para a partícula

15. O trabalho de Shields Shields identificou duas variáveis adimensionais: Relação entre forças Número de Reynolds para a partícula E passou a fazer ensaios em laboratório para encontrar o valor de Y que corresponde ao início do movimento das partículas (Y*)

16. Shields

17. Diagrama de Shields

18. Exemplo Diagrama de Shields Considere um rio de 100 metros de largura com profundidade de ...

19. Início do movimento - Hjulstrom Outro critério para início de movimento é baseado na velocidade média do escoamento.

20. Início do movimento - Hjulstrom

21. Modos de transporte de material

22. Modos de transporte

23. Modos de transporte

24. Sediment transport -Some definitions

25. Carga de Lavagem ou washload Material transportado em suspensão Pouco presente ou mesmo ausente no leito Concentração depende do aporte e é mais ou menos independente das variáveis do escoamento, como a velocidade Só deposita em oceanos, lagos ou estuários Pode ser responsável pelo transporte de poluentes Tem pouca importancia em termos morfológicos para rios, mas tem importância em lagos, reservatórios e estuários

26. Carga de material do leito Material transportado que tem aproximadamente as mesmas características do material encontrado no leito Pode ser dividido em suspensão arraste

27. Sediment Transport Bed-load transport: sliding, rolling, saltating Suspended transport: sediment moves through the fluid

28. Bed-load transport

29. Suspended Transport Particles entrained at the bed-load layer Transported by convection, diffusion, and turbulence

30. Distribuição da concentração dos sedimentos em suspensão Figura esquema de Rouse no livro do Chanson

31. Medições de transporte de sedimentos Amostradores arrasto (Helley-Smith) suspensão Turbidímetros ADCP

32. Amostradores de sedimentos em suspensão Integradores verticais são operados deslocando-se na vertical com o uso de um guincho 1) descendo até o fundo; 2) subindo até a superfície (velocidade o mais constante possível e próxima a um valor previamente calculado) Amostrador pontual equipamente dispõe de uma válvula e pode ser aberto para coletar amostra de um ponto pré-determinado

33. Integradores verticais Amostra recolhida representa uma média de toda a vertical

34. Amostradores pontuais Dispõe de uma válvula para abrir o bocal apenas quando o equipamente estiver corretamente posicionado Fica coletando amostra no mesmo ponto Permite conhecer perfil de concentração na vertical

35. Amostrador pontual

36. Amostrador de material de arraste

37. Medição de concentração de sedimentos finos figura 5.28 do livro Stream-hydrology Figura gustavo?

38. Relações Q x Cs ou Q x Qs

39. Sedimentos Arroio Dilúvio

40. Fórmulas para estimativa de concentração ou descarga sólida Fórmulas de transporte por arraste Fórmulas de transporte por suspensão Fórmulas de transporte de material do leito

41. Transporte de material do leito Existem muitas fórmulas empíricas para estimar o transporte de material do leito Diferentes hipóteses básicas Ackers-White (1973) Engelund-Hansen (1967) Brownlie Yang (1973)

42. Transporte de material do leito O que elas tem em comum? Baseadas em dados de pequenos canais de laboratório. Relacionam transporte com características fundamentais do escoamento, preferencialmente com adimensionais Ackers-White (1973) Engelund-Hansen (1967) Brownlie Yang (1973)

43. Equação de Yang Ackers-White (1973) Engelund-Hansen (1967) Brownlie Yang (1973)

44. Yang: areia ou seixo? D50<2 mm Use equação areia D50>=2 mm Use equação seixo

45. Equação de Yang para areia

46. Uc na equação de Yang

47. Equação de Yang para seixos

48. Aplicando equação de Yang passo a passo Definir d50. D50 é areia ou seixo? Calcule a velocidade média U e a profundidade h Calcule a viscosidade cinemática n Calcule a velocidade de cisalhamento U*

49. Aplicando equação de Yang passo a passo Calcule o número de Reynolds da partícula

50. Aplicando equação de Yang passo a passo Calcular velocidade crítica para inicio de movimento

51. Aplicando equação de Yang passo a passo Calcular

52. Aplicando equação de Yang passo a passo Calcular Cs usando

53. Descarga de sedimentos (Qs) Qs é o produto da vazão Q vezes a concentração Cs.

54. Descarga de sedimentos Cs em mg/l ou ppm Q em m3/s Então em Kg/s Ou então em ton/dia

55. Exemplo Qual é a descarga de sedimentos (areia) presentes no leito no caso de um rio com declividade de 10 cm/km, 6 metros de profundidade, 300 metros de largura e com d50 de 0,5 mm?

56. 1 – Considerações iniciais Vamos considerar: n=0.035 Temperatura da água 20 C Seção transversal retangular Massa específica da areia de 2650 kg/m3 Vale a equação de Yang

57. 2 – Velocidade e vazão Usando Manning a Velocidade é

58. 3 – Viscosidade cinemática A viscosidade cinemática para T = 20 C é obtida por: Resultando em 1,02 . 10-6 m2/s

59. 4 – Velocidade de queda A velocidade de queda das partículas pode ser calculada por

60. 4 – Velocidade de queda O resultado é:

61. 5 – Velocidade de cisalhamento

62. 6 – Número de Reynolds da partícula

63. 7 – Velocidade crítica para início de movimento dos sedimentos De acordo com a equação de Yang, a velocidade crítica para o início do movimento dos sedimentos pode ser calculada por

64. 7 – Velocidade crítica para início de movimento dos sedimentos

65. 8 – Calcular Cs

66. 9 – Calcular Qs

67. Comentários Na verdade a concentração de sedimentos e a descarga sólida variam com a vazão Vazões altas tem maior transporte do que vazões baixas Grande parte do material do leito é movimentado durante as cheias, permanecendo mais em repouso durante as estiagens

68. Curva de permanencia + transporte de sedimentos

69. Exercício Utilize a equação de Yang para estimar a descarga de sedimentos do Arroio Dilúvio (seção transversal abaixo), com declividade de 3,65 m/km, com d50 de 1,5 mm. Considere a vazão de 50 m3/s.