MODELAGEM MATEMÁTICA PARA PROJETO DE PROTEÇÃO E RESTAURAÇÃO DA PRAIA DE ATAFONA SÃO JOÃO DA BARRA RJ

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1 MODELAGEM MATEMÁTICA PARA PROJETO DE PROTEÇÃO E RESTAURAÇÃO DA PRAIA DE ATAFONA SÃO JOÃO DA ARRA RJ Rafael Paes Leme 1 *; Valtair Paes Leme Pires 2 ; Thaísa Montenegro 3 ; Roberta Moreno 4 ; Domenico Accetta 5. Resumo O litoral de Atafona, distrito de São João da arra RJ, desde a década de 60 vem sofrendo intenso processo erosivo, onde 14 quadras e mais de 180 casas já foram destruídas pela ação das ondas. Acredita-se que este processo esteja relacionado à diminuição das vazões de água e consequente diminuição do aporte sedimentar do Rio Paraíba do Sul em sua foz, especialmente após a implantação de diversas usinas hidrelétricas no curso deste rio. Foram realizados levantamento batimétrico, perfis de praia, análise de dados de vazões do rio e modelagem matemática de ondas, hidrodinâmica e de transporte de sedimentos. A partir dos resultados obtidos, propõe-se um esquema de proteção e restauração da linha de costa composto por 9 espigões curvos, acrescido de aterro hidráulico em uma extensão de 4 km na praia. Palavras-Chave erosão, ondas, modelagem. MATEMATICAL MODELLING FOR PROTECTION PROJECT IN ATAFONA EACH SÃO JOÃO DA ARRA RJ Abstract Atafona coastline, São João da arra - RJ, from the 60's has undergone intense erosion, where 14 blocks and more than 180 homes have been destroyed by wave action. It is believed that this process is related to the decrease in water flows and consequent reduction of sediment yield of the Paraiba do Sul River at its mouth, especially after the implementation of several hydroelectric power plants in the course of this river. athymetric surveys were conducted, beach profiles, river flow data analysis and mathematical modeling of waves, hydrodynamics and sediment transport. From the results, is proposed a protection and restoration shoreline scheme composed of nine curved spikes plus hydraulic fill in an area of 4 km on the beach. Keywords erosion, waves, modelling. 1 Instituto Nacional de Pesquisas Hidroviárias & Fundação COPPETEC. rafaelpaesleme@gmail.com 2 Instituto Nacional de Pesquisas Hidroviárias & Fundação COPPETEC. vpaesleme@hotmail.com 3 Instituto Nacional de Pesquisas Hidroviárias & Universidade Federal do Rio de Janeiro. thaisa_montenegro@hotmail.com 4 Instituto Nacional de Pesquisas Hidroviárias & Fundação COPPETEC. belmor80@yahoo.com.br 5 Instituto Nacional de Pesquisas Hidroviárias. domenico@inph.com.br * Autor Correspondente XXI Simpósio rasileiro de Recursos Hídricos 1

2 INTRODUÇÃO A área de estudo localiza-se no Norte Fluminense e abrange um litoral de cerca de 15 km, no município de São João da arra/rj. Este município tem seu limite junto à margem direita da foz deltaica do Rio Paraíba do Sul, onde estão os balneários de Atafona e Grussaí. O litoral de Atafona vem por décadas sofrendo com um intenso processo erosivo, onde 14 quadras e mais de 180 casas já foram destruídas pela ação das ondas. A Figura 1 apresenta fotografias do Pontal de Atafona nos anos de 1961 e É possível observar que as casas instaladas sobre o pontal arenoso na década de 60 já não estão presentes na fotografia mais recente. Atualmente, muitos escombros das casas são encontrados na praia. A Figura 1. Imagens aéreas panorâmicas do Pontal de Atafona em: (A) 1961 e () (Fonte: DNOS e IAMA) Rocha (2009) relata sobre a possibilidade da erosão ocorrer em pulsos, em escala temporal associada a eventos de cheias e redução de vazões, como resposta à ação de eventos meteorológicos de meso escala do tipo El Niño e La Niña, gerando alterações no comportamento litorâneo devido às modificações do padrão de ventos e ondas. De acordo com Fernandez et al. (2006), atualmente a plataforma continental não constitui fonte de sedimentos efetivas para a praia do Pontal de Atafona. Tal informação foi baseada no mapeamento de lamas próximas a face de praia, que apontam uma estreita faixa arenosa ao longo da zona de surfe. A zona submarina possui intensas variações no sentido da praia para o mar, permitindo afirmar que o transporte longitudinal de sedimentos ao longo das praias de Atafona e Grussaí são mais relevantes que o transporte transversal, resultando na progradação em Grussaí. LEVANTAMENTO DE DADOS Uma importante etapa do trabalho consistiu no levantamento de bibliografias e dados ambientais existentes para a região, primordial para se diagnosticar o problema e subsidiar o modelo matemático. atimetria e perfis de praia Durante o período de 10 a 26/10/2013, uma equipe de técnicos do Instituto Nacional de Pesquisas Hidroviárias (INPH) esteve presente na região de Atafona para a realização de levantamento batimétrico, que cobriu cerca de 15 km de praia e 4 km do rio (i.e. Figura 2), e de perfis de praia, que se estenderam até as proximidades da região conhecida como Grussaí. Os resultados obtidos na campanha estão registrados em INPH (2014), contendo as plantas batimétricas, informações maregráficas e as coordenadas e cotas dos perfis de praia. XXI Simpósio rasileiro de Recursos Hídricos 2

3 Atafona Figura 2. Área de cobertura da campanha de levantamento batimétrico realizada pelo INPH em outubro de Vazões líquidas e sólidas Os dados de vazões líquidas foram obtidos no Rio Paraíba do Sul, disponibilizados no site da Agência Nacional de Águas (ANA), coletados na cidade de Campos, estação mais próxima à foz. O gráfico da Figura 3 mostra a média anual de vazões na estação de Campos a partir do ano de 1934, época onde se iniciou o monitoramento no local. Entre 1934 e 1952, a média do período foi de 977 m 3 /s. É possível notar uma brusca queda na média das vazões no ano de 1952 (600 m 3 /s), e nos três anos subsequentes (400m 3 /s). Observa-se a ocorrência de alguns anos com picos nas médias das vazões (1961, 1967 e 1983), relacionados a períodos com volumes de chuvas acima da média. Figura 3. Média anual de vazões na estação de Campos, no Rio Paraíba do Sul. (Fonte: ANA) Entre os anos de 1952 e 2008, último ano com a série anual completa, a média anual de vazões passou a ser de 728 m 3 /s, o que representou uma redução média de 25% do volume de água. Se considerarmos apenas os últimos 10 anos registrados, essa média é ainda mais reduzida, passando a ser de 675 m 3 /s, representando uma redução de 31% da média observada antes de O total de sedimentos que um rio conduz para o mar é o somatório da porção transportada em suspensão na coluna d água e da porção transportada no fundo, por arraste. Se considerarmos uma concentração média de sedimentos em suspensão em rios de cerca de 200 mg/l, a redução média anual de sedimentos transportados em suspensão seria de aproximadamente m 3. Caso considerarmos a média apenas dos últimos 10 anos, onde a redução na vazão líquida média seria de 31%, a redução do volume de sedimentos em suspensão seria de cerca de m 3 /s. Através da investigação das possíveis causas da redução dos volumes de vazões do rio, optouse por localizar as interferências antrópicas no mesmo, desde sua nascente. É possível observar que há um grande número de usinas hidrelétricas instaladas ao longo de todo o curso do rio, a partir do XXI Simpósio rasileiro de Recursos Hídricos 3

4 mapeamento das principais usinas, com os anos de início de operação, e pequenas centrais hidrelétricas, ilustrado na Figura 4. Nota-se que a Usina de Santa Cecília, a maior delas, entrou em operação exatamente no ano de 1952, o mesmo ano em que se observou a maior redução das vazões na Estação de Campos. Após essa usina, muitas outras também foram instaladas ao longo do Rio Paraíba do Sul, intensificando cada vez mais as interferências neste corpo aquoso. Figura 4. Mapeamento das usinas hidrelétricas ao longo do rio e os anos de início de operação. A partir dessa observação é possível crer que as instalações das usinas colaboraram com a redução das vazões líquidas na foz do rio, em Atafona, e consequentemente, com a diminuição das vazões sólidas, o que pode ter contribuído com o processo erosivo no local, como também citado por Costa (1994). A diminuição das vazões gera diminuição das velocidades. Quanto menores passam a ser as velocidades, menores as frações de sedimentos que o rio tem capacidade de transportar. Este fato faz com que, atualmente, a maior parte dos sedimentos que alcança a foz do rio seja composta por sedimentos finos, que se depositam mais afastados da praia. Dados de ondas Para que seja elaborado qualquer projeto de restauração da praia é primordial o conhecimento das características das ondas no local. Como não há medição sistemática dos dados de ondas na região, optou-se por utilizar modelagem matemática para transformação dos dados de ondas da região offshore até a área do projeto. Os dados de ondas em águas profundas, utilizados neste estudo, foram obtidos do GROW (Global Reanalysis of Ocean Waves), programa de reanálise de dados pretéritos de ventos para geração de dados históricos de ondas. Em geral, os dados de ondas em águas profundas podem ser utilizados como condição de contorno de modelos de transformação de ondas até a região costeira, submetendo esses dados a uma calibração apropriada, através da comparação com dados de ondas medidos próximo à linha de costa. Os dados de ondas cobriram o período de A localização exata de extração foram as coordenadas Lat ºS, Long ºW. A Figura 5 mostra as rosas de ondas para a região de águas profundas. Observa-se maior frequência das ondas de NNE a E, porém as ondas de maior energia são provenientes das direções SSW a SE. XXI Simpósio rasileiro de Recursos Hídricos 4

5 A Figura 5. Rosas de ondas em águas profundas: (A) Hs e () Tp. MODELAGEM MATEMÁTICA PROGNÓSTICA Após o levantamento e análise dos dados apresentados, a etapa seguinte consistiu na realização da modelagem matemática prognóstica, a fim de se compreender os padrões de propagação de ondas e correntes na região atualmente. A análise dos resultados obtidos com a simulação matemática serve como base para a elaboração do projeto de proteção e restauração ideal para a praia em estudo. Modelagem de Ondas A batimetria do modelo e o domínio modelado estão apresentados na Figura 6. O domínio do modelo cobre uma área de aproximadamente 200 km x 220 km, área suficiente para incluir os efeitos em escala regional da batimetria. A discretização do modelo utilizado é baseada numa malha triangular flexível, o que significa que uma resolução espacial mais grosseira pode ser empregada em águas profundas, e uma grade mais fina, de maior resolução, nas áreas de maior interesse. A fronteira em águas profundas coincide com a localização dos dados do modelo global GROW. A Figura 6 mostra o domínio de modelagem, a batimetria e a malha numérica empregada em todo o domínio. A Figura 6. Domínio de modelagem, batimetria e malha numérica: (A) geral e () detalhe. XXI Simpósio rasileiro de Recursos Hídricos 5

6 O modelo de ondas utilizado foi o MIKE 21 SW, modelo espectral, capaz de resolver todos os principais efeitos de transformação de ondas importantes para o estudo em questão, como refração, difração, empinamento e perda de energia pelo atrito com o fundo, além de calcular simultaneamente a geração de ondas pelo efeito do vento. Como condições de contorno para o modelo foram incluídos os dados de ondas e ventos obtidos do GROW. O modelo foi calibrado a partir de uma série de dados medidos por um ADCP instalado na região do Porto do Açu, entre os meses de Março e Novembro de 2007, a cerca de 20 Km ao Sul da área de estudo. Após a obtenção da melhor correlação entre os valores encontrados, os parâmetros ajustados foram então extrapolados para toda a área de interesse, sendo realizada uma simulação com a propagação dos últimos 10 anos da série de ondas do modelo global, de 2000 a A Figura 7 mostra uma rosa de ondas de Hs e Tp para a região de Atafona, com os dados de todo o período simulado, a uma profundidade de cerca de -7m, nas coordenadas UTM E S. Observa-se a predominância das ondas de direções ENE associadas aos menores períodos. As ondas que alcançam a região com direção E são as que possuem maior ocorrência de Hs superiores a 2,0m. A direção ESE é a que apresenta a maior ocorrência de ondas com períodos maiores, especialmente acima de 15s. A Figura 7. Rosas de ondas modeladas em Atafona: (A) Hs e () Tp. Transporte de sedimentos longitudinais à praia Os dados de Hs, Tp e direção de ondas, obtidos na modelagem com o MIKE 21 SW, funcionam como dados de entrada para o modelo unidimensional LITDRIFT, o qual calcula o transporte anual longitudinal à praia em um perfil, a partir das correntes litorâneas geradas pelas ondas. A Figura 8 apresenta o resultado do modelo, que demonstra que as diferentes direções de ondas que alcançam a região de Atafona geram transporte de sedimentos para Norte e Sul, em diferentes épocas do ano, de acordo com as características das ondas reinantes em cada período, conforme também citado por Rocha (2009). Nota-se que o transporte médio não é de igual volume em ambas as direções, gerando um transporte resultante para Sul, causado pela maior frequência de ondas e ventos vindos ao Norte do perfil perpendicular à praia. A partir dos resultados do modelo de transporte de sedimentos LITDRIFT, também é possível calcular a direção de estabilidade da praia, o que significa dizer a direção da linha de costa em que a resultante do transporte longitudinal seria igual a zero. Para o estudo em questão, a direção de XXI Simpósio rasileiro de Recursos Hídricos 6

7 estabilidade calculada demonstrou uma diferença de 20º da direção atual do alinhamento da linha de costa, com rotação no sentido anti-horário. Este resultado é primordial na elaboração do projeto de proteção costeira. Figura 8. Transporte de sedimento longitudinal à praia, onde se observa a resultante em direção ao Sul. SOLUÇÃO PROPOSTA Após a determinação da direção de estabilidade, a solução proposta para a proteção da praia é a elaboração de um projeto de engenharia composto por 9 espigões curvos enraizados no litoral, com cerca de 240m de comprimento cada, e com 400m de distância entre eles. Associado à construção das estruturas, deverá ser realizado aterro hidráulico com 100m de largura, com talude de 1:5 e na cota +5,0m. Isso permitirá a criação de células com praias individuais, em que cada uma delas tenderá a buscar um alinhamento próximo ao observado na Figura 9. A C Figura 9. (A) Layout da solução proposta. () Exemplo do alinhamento da praia após o fim do aterro hidráulico. (C) Exemplo do alinhamento estimado da praia após entrar em equilíbrio dinâmico com o regime de ondas no local. XXI Simpósio rasileiro de Recursos Hídricos 7

8 Na Figura 10 é apresentado o resultado de um modelo hidrodinâmico em períodos de maré vazante e enchente. Observa-se que as correntes tendem a se propagar paralelas às estruturas, permitindo o transporte dos sedimentos de uma célula para outra. Este padrão não ocorreria na presença de um espigão perpendicular à praia, onde parte dos sedimentos seria perdida, conduzida pelas correntes em direção ao mar. A Figura 10. Detalhe dos espigões em exemplo de resultado do modelo hidrodinâmico para períodos de: (A) maré vazante e () maré enchente. CONSIDERAÇÕES FINAIS Depois de realizada a caracterização da área, a partir dos levantamentos de dados bibliográficos e de campo, e das modelagens matemáticas, a próxima etapa do estudo consiste no cálculo da onda de projeto para fundamentação dos cálculos estruturais dos espigões. Seguido de elaboração do desenho das seções transversais das estruturas e ainda o projeto de aterro hidráulico da praia, bem como definição das jazidas para obtenção do material arenoso ideal. REFERÊNCIAS COSTA, G. (2009). Caracterização Histórica, Geomorfológica e Hidráulica do Estuário do Rio Paraíba do Sul. Dissertação de Mestrado, COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro-RJ. 107 p. FERNANDEZ, G..; ROCHA, T..; PEREIRA, T.G.; FIGUEIREDO JR A.G. (2006). Morfologia e Dinâmica da Praia entre Atafona e Grussaí, Litoral Norte do Estado do Rio de Janeiro. In: VI Simpósio Nacional de Geomorfologia, Goiás, INPH - Instituto Nacional de Pesquisas Hidroviárias. (2014). Levantamento topo hidrográfico da foz do Rio Paraíba do Sul e área marítima adjacente à Praia de Atafona RJ. Relatório Técnico INPH n 01/2014. Rio de Janeiro. ROCHA,T.. (2009). Morfodinâmica costeira e gestão de orla marítima em costa sob influência fluvial: borda meridional do atual delta do Rio Paraíba do Sul (RJ). 141 f. Dissertação de Mestrado, Universidade Federal Fluminense, Niterói-RJ, 141 p. WE: XXI Simpósio rasileiro de Recursos Hídricos 8