UTILIZAÇÃO DE ACOUSTIC DOPPLER PROFILER CURRENT

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1 UTILIZAÇÃO DE ACOUSTIC DOPPLER PROFILER CURRENT (ADCP) EM SEÇÃO TRANSVERSAL DO RIO SAPUCAÍ (MG): DESCRIÇÃO E ANÁLISE DE MEDIÇÕES E PROJEÇÕES DE PESQUISAS NA ÁREA. Resumo: A aplicação de perfiladores de fluxo baseados no princípio Doppler(ADCP) tem se ampliado no âmbito da hidrologia, em especial nas medições de vazão. Medidas iniciais foram conduzidas em seção transversal do Rio Sapucaí (MG). Os resultados obtidos são apresentados e discutidos. Ficou demonstrada a versatilidade e capacidade do ADCP para este fim. Este trabalho também discute as demais possibilidades de emprego do equipamento, característica que estimula o desenvolvimento de pesquisas na área. Palavras-chave: ADCP, medição de vazão, rios. Abstract: The Acoustic Doppler Current Profilers (ADCP) application on the hydrology subject has increased, mainly in the flow measurements. Initial measurements were carried out in the transversal section of the Sapucai River (MG). The results are presented and discussed on this paper. It was showed both the versatility and the capacity of the ADCP for this purpose. This paper discuss also the various possibilities of the ADCP, that stimulate the development of researches on this subject. Keywords: ADCP, flow measurement, rivers. 1

2 Introdução: O emprego de perfiladores de fluxo baseados no princípio Doppler, conhecidos como ADCP (Acoustic Doppler Current Profilers), vem assumido grande importância no campo da hidrologia. Por esta razão a sua aplicação tem sofrido uma grande ampliação neste cenário. Fundamentalmente, o seu uso é destinado para estimativa de vazão. No entanto, outras aplicações têm sido desenvolvidas como é o caso da caracterização de transporte de sedimentos, restauração de habitats aquáticos e simulação numérica para calibração e validação (MUSTE et al. 2002). Tais dispositivos ultra-sônicos, como é o caso do ADCP, têm sido utilizados com o fim de medição de vazão do rio Amazonas, na localidade de Óbidos. Estes procedimentos realizados em série têm propiciado a construção de um método de correção de erro devido à presença de fundo móvel (CALLEDE et al. 2000). O mapeamento de velocidade e a definição de indicadores de sedimentos em suspensão têm sido conduzidos por DINEHART E BAURAU (2005), por meio do uso de ADCP. A técnica empregada pelos pesquisadores, baseada em levantamentos freqüentes e interpolação de fluxo no campo, tem contribuído para a simplificação de cálculos de vazão e de descarga de sedimentos. Estas análises foram realizadas no rio Sacramento, EUA, que tem a peculiaridade de apresentar turbulência em seu fluxo. MUSTE et al. (2004) investigaram a associação existente entre as características relacionadas ao tempo e ao espaço do instrumento e as escalas de turbulência do rio, Mississipi, no caso. O efeito da extensão da amostragem também foi verificado pelos pesquisadores para a condução das avaliações. Salientam, os autores, que as medidas de velocidade média, intensidade da turbulência, por exemplo, podem ser obtidas com acurácia, desde que procedimentos operacionais e de análise posterior sejam devidamente adotados. A necessidade da confecção de procedimentos práticos de operação de ADCP ainda permanece como questão importante, segundo os autores. Tais resultados advindos destas análises contribuiriam para a elaboração de procedimentos padronizados de medição, por meio de ADCP montada em embarcação e em pontos fixos de um rio. A técnica que adota o instrumento ADCP também é utilizada para calibração de modelo hidrodinâmico em pesquisas desenvolvidas com a finalidade de modelar o transporte e a destinação de microrganismos patogênicos na água (LIU et al 2006). Tal pesquisa se insere em um exemplo nítido de aplicação do instrumento como subsídio para as análises de caráter ambiental, voltadas para a questão da saúde. A Bacia do Rio Sapucaí integra a bacia do rio Grande, localizando-se na região sudeste, atravessando dois estados, São Paulo e Minas Gerais. O Rio Sapucaí tem a sua origem na região da Serra da Mantiqueira, a uma altitude de 1650 m, na cidade de Campos de Jordão SP. Deságua no Lago de Furnas a 780 m de atitude, percorrendo em torno de, 343 km (34 km dentro do Estado de São Paulo e 309 km em Minas Gerais) (SIMGE 2002). 2

3 Objetivos: Estruturar um grupo de pesquisa sobre o tema de acústica subaquática, fundamentado essencialmente no emprego de ADCP. Objetivos específicos: Apresentar os primeiros resultados obtidos a partir de campanha de medidas em seção transversal do Rio Sapucaí, na região de Itajubá. Analisar os perfis de velocidade e de transporte de sedimentos em amostras de rios da bacia do Rio Sapucaí, localizada no sul de Minas Gerais. Estender as investigações da utilização do ADCP, abrangendo análise de bacias hidrográficas desde a nascente até estuários e regiões costeiras. Fomentar a formação de recursos humanos especializados na técnica de ADCP na área de hidráulica e hidrologia no âmbito fluvial. Ampliar as aplicações do ADCP associadas ao ecossistema do curso d água sob investigação e às questões de saúde coletiva/ambiental. Metodologia: Utilização de ADCP com sinal de khz, fabricante RDI, modelo Rio Grande Monitor.com auxílio de embarcação. Os procedimentos de medição seguirão as recomendações estabelecidas por SIMPSON (2005), pesquisador vinculado a United States Geological Survey (USGS). Para a seqüência das primeiras medições, que se pode considerar como seqüência piloto, o equipamento foi adaptado em uma prancha confeccionada em fibra de vidro para a sua sustentação e esta, por sua vez, foi acoplada ao barco para a realização das medições. A instalação nesta prancha posicionou o equipamento em posição vertical de maneira estável, de modo a prevenir ângulos de pitch ou roll. Para a realização da travessia um cabo foi disposto ao longo da seção transversal do Rio Sapucaí com o fim de orientação do barco. A navegação neste caso foi conduzida manualmente por participante que com as mãos apoiadas no cabo impulsionava o barco e propiciava a travessia. A travessia, com o fim de se obter uma boa qualidade de medição, foi realizada gradual e lentamente, As medições, que deverão compor o projeto de uso mais intensivo de ADCP, deverão ser conduzidas com a freqüência quinzenal, buscando inicialmente abranger seções do Rio Sapucaí nas proximidades da cidade de Itajubá. Os procedimentos de medição deverão servir como exercício prático para a disciplina de hidroacústica, ministrada para os alunos da engenharia hídrica, os quais participarão das campanhas de medição. Para o procedimento de avaliação foi empregado o Modo 5 do equipamento, que é compatível com águas lentas, relativamente rasas, com velocidade inferior a 0,5 m/s e turbulências e/ou forças de cisalhamento baixas. Os dados coletados foram processados em computador portátil com características compatíveis, presente na embarcação e com utilização do programa computacional WinRiver RDInstruments, versão A campanha de medição foi realizada no dia 18 de julho de Foram realizadas quatro medições no período matutino e quatro no período vespertino. 3

4 Resultados: As oito séries de medidas obtidas na avaliação transversal do Rio Sapucaí são apresentadas a seguir com as considerações pertinentes. A primeira travessia, conduzida a partir de 11h52 min, despendeu 293,56 s para a travessia. A velocidade do barco foi de 0,026 m/s, enquanto que a da água foi de 0,195 m/s. Portanto, pode ser observado que o barco se manteve em uma velocidade adequada para o procedimento, uma vez que se encontrava inferior à velocidade da água. Figura 1: Magnitude da velocidade em m/s de acordo com profundidade do leito do Rio Sapucaí. Verifica-se na figura 1 a presença de células ruins (bad bins) entre os conjuntos (ensembles) 261 e 328. que podem ter sido provocados pela existência de rocha no fundo. A vazão total calculada para esta travessia foi de 39,517 m 3 /s. Figura 2: Trajetória da embarcação de acordo com a distância percorrida em relação aos sentidos Norte e Leste. A figura 2 demonstra que travessia foi conduzida de modo adequado, exibindo os vetores médios de velocidade da água em m/s. 4

5 Figura 3: Perfis de velocidade do barco e da água. Na figura 3 observa-se que a velocidade do barco manteve-se inferior à da água em praticamente toda a extensão da travessia. Verifica-se que houve problemas na leitura na região próxima do fundo rochoso. Figura 4: Intensidade do sinal em função da profundidade. Examinando a figura 4 é possível classificar o sinal como normal, já que não são notados problemas de fundo. 5

6 Figura 5: Correlação média Novamente no ponto onde se localiza o fundo rochoso, de acordo com o apresentado na figura 5, pode ser verificada uma correlação baixa. Em relação às demais medidas desenvolvidas convém salientar que se comportaram de forma similar em relação às características fundamentais do processo, como ocorreu na medida 1. Houve valores de vazão distintos. A média das vazões calculada para as oito travessias foi de 36,584 ± 4,004 m 3 /s. Os valores de vazão para as travessias compreendidas na campanha de medição podem ser observados na tabela 1. Tabela 1: Comparação das vazões estimadas nas sucessivas travessias do Rio Sapucaí. Travessia Vazão estimada (m 3 /s) Diferença em relação à vazão média (%) 1 31,942-0, ,138-0, ,726-0, ,406-0, ,517 0, ,932 0, ,815 0, ,194 0,153 Vazão média 36,584 Discussão e conclusão: As medidas levantadas nos procedimentos discutidos apontam algumas questões que devem ser assinaladas. A presença de fundo rochoso em determinado ponto da travessia favoreceu o surgimento de células consideradas ruins (bad bins) além de problemas de correlação, apresentados nas figuras ao longo deste texto. Por se tratar de um experimento inicial, não foi alterada a rota da travessia, pois seria interessante escolher outra seção que não apresentasse essa interferência. Embora se trate de uma abordagem inicial, este conjunto de medidas utilizando o equipamento ADCP vem atestar a sua praticidade para a estimativa de vazão e de velocidade de cursos de água. A sua utilização, compreendendo os seus recursos deve contribuir para que o grupo alcance plenamente os objetivos definidos anteriormente, como o de analisar os perfis de velocidade e de transporte de sedimentos em amostras de rios da bacia do Rio Sapucaí. 6

7 Além das finalidades clássicas em hidrometria, como melhor subsídio para estruturar a curva chave do rio, outras aplicações de igual interesse e valor deverão ser estimuladas. A modelagem de transporte e destinação de microrganismos em cursos de água é um tema de relevo que envolve também a área de saúde ambiental. Referências bibliográficas: CALLEDE, J.; KOSUTH, P.; GUYOT, J-L.; GUIMARAES, V.S.(2000. Discharge determination by acoustic Doppler current profilers (ADCP): a moving bottom error correction method and its application on the River Amazon at Obidos). Hydrological Sciences Journal, v 45, n 6, p Dec. DINEHART, R.L.; BURAU, J.R.(2005). Repeated surveys by acoustic Doppler current profiler for flow and sediment dynamics in a tidal river Journal of Hydrology, v 314, n 1-4, 25,, p 1-21, Nov. LIU L, PHANIKUMAR MS, MOLLOY SL, WHITMAN RL, SHIVELY DA, NEVERS MB et al. (2006) Modeling the Transport and Inactivation of E. coli and Enterococci in the Near-Shore region of Lake Michigan. Environ, Sci. Technol., 40, measurements MUSTE, M.; YU, K.; PRATT, T.; ABRAHAM, D. Practical aspects of ADCP data use for quantification of mean river flow characteristics; Part II: Fixed-vessel Flow Measurement and Instrumentation (2004), v 15, n 1,, p Mar. MUSTE, M. YU, K.; PRATT, T.C.; ABRAHAM, D. (2002). ADCP measurements at fixed river locations. Hydraulic Measurements and Experimental Methods, p SIMGE- Sistema de meteorologia e recursos hídricos de Minas Gerais. Bacia Hidrográfica do Alto Rio Sapucaí. Disponível em Acesso em [22/10/2007]. SIMPSON M.R (2001) Discharge Measurements Using a Broad-Band Acoustic Doppler Current Profiler. United States Geological Survey Sacramento, California. 7