15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental

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1 15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental Caracterização da suscetibilidade para os fluxos de detritos (debris flows) e fluxos de enchente (debris floods) na sub-bacia do Rio Santa Cruz, Paranaguá-PR, no evento metereológico de Março de Henry Shigueru Tanaka 1, Jefferson de Lima Picanço 2, Vitor Vitti Costa 3, Esdras Filipe de Oliveira Luiz 4, Ana Barbara Bueno Lopes RESUMO A bacia do Rio Santa Cruz foi atingida por ocorrências de debris flow e debris floods no evento hidrológico de março/2011 em Paranaguá PR. O rio Santa Cruz é formado pelo encontro de três canais (os ribeirões Tinguí, Meio e Cachoeira), com área total de 16,39 Km². O mapeamento preliminar da bacia levantou inúmeras feições de debris flows ao longo dos canais. A fotointerpretação produziu um inventário de feições de escorregamentos. O volume total removido de material pelo Debris flow foi estimado em 1,7 x 10³ m³. A relação H/L para os debris flow foi de 0,23 para o ribeirão Tingui, 0,27 para o ribeirão do Meio e 0,19 para o Cachoeira. Os parâmetros morfométricos dos três ribeirões: Cachoeira (Melton 0,58, L=4,1 km) do Meio (Melton 0,44, L=2,86 km) e Tingui (Melton 0,60, L=2,8 km) correspondem à bacias sujeitas debris flows. Os dados obtidos até o momento compõem os parâmetros iniciais da pesquisa, no sentido se construir um mapa de suscetibilidade para debris flows nesta bacia. Palavras chave: corrida de detritos, detritos de enchente, índice de Melton, evento hidrológico. ABSTRACT The Santa Cruz creek basin was severely hit by debris flow and debris flood episodes in the hydrologic event of March / 2011 in Paranaguá -PR. The Santa Cruz creek is formed by the junction of three channels (the Tingui, do Meio and Cachoeira streams), with total area of km². The preliminary mapping of the catchment raised numerous debris flow features along the channel path. The photo-interpretation produced an inventory of landslide features. The total volume removed material by debris flow was estimated at 1.7 x 10³ m³. The H / L ratio for debris flow is 0.23 for Tingui, 0.27 for do Meio and 0.19 for the Cachoeira stream. The morphometric parameters of the three catchments are: Cachoeira (0.58 Melton ratio, L = 4.1 km) from do Meio (0.44 Melton ratio, L = 2.86 km) and Tingui (Melton ratio 0.60, L = 2.8 km ), which corresponds to debris flows-prone catchments. The data obtained so far is the initial parameters in order to build a debris flows susceptibility map to the Santa Cruz basin. Keywords: Debris flow, debris flood, Melton ratio, hydrological event. 1 Graduando em Geografia - IG- UNICAMP, tanaka.shigueru@gmail.com 2 DGRN - IG - UNICAMP, jeffpicanco@ige.unicamp.br 3 Bolsista SAE-UNICAMP 4 Graduando em Geologia IG UNICAMP. 15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental 1

2 1. INTRODUÇÃO Os fluxos ou corridas de detritos (debris flows) são movimentos de massa gravitacionais com rápido escoamento de material, onde há mobilização de solo, rocha, detritos e água devido a perda de atrito entre as partículas fluindo a velocidade médias a altas (Hungr et al. 2014; Hungr et al. 2001; Fernandes & Amaral, 1996). A distinção entre debris flows e debris floods (fluxos de enchente) se dão pela baixa relação sedimento/agua dos debris floods (Hungr et al, op.cit.,hungr et al, 2001, Pierson & Costa, 1987). O registro sedimentar dos dois fenômenos também é bastante diferente (Hungr, 2005; Hungr et al, op.cit.). As características físicas e mecânicas dos debris flows e a grande variabilidade ambiental e/ou antrópica das áreas afetadas dificultam seu entendimento e exigem abordagens diferenciadas (Crosta & Liu, 2014). Os métodos morfométricos, baseados no estudo de modelos digitais de elevação (MDEs) são bastante úteis na discriminação de bacias com suscetibilidade a debris flows (Wilford et al, 2004; Welsh & Davies, 2011). A caracterização da suscetibilidade também passa pela caracterização geológico/geomorfológica da bacia e o reconhecimento de feições de debris flow (Jakob, 2005a). Da mesma forma, a discriminação de parâmetros como volume, relevo, vazão de pico e outros também fornecem parâmetros importantes para a caracterização da magnitude destes fenômenos (Rieckenmann, 1999; Kanji et al, 1997). Este trabalho tem por objetivo uma caracterização da bacia do rio Santa Cruz, no município de Paranaguá (figura 1), e discutir a suscetibilidade para debris flow e debris floods, com base em suas características morfométricas, geológicas e geomorfológicas. Esta caracterização foi apresentada em maior detalhe por Tanaka et al (2015). Figura 1: Mapa de Localização da área de estudo 15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental 2

3 A colônia de Santa Cruz foi afetada pelo evento hidrológico de março/2011, marcado por uma precipitação sobrenormal em um curto intervalo de tempo. O pluviômetro situado em Paranaguá (figura 2) registrou chuvas em praticamente todos os dias até o dia 15 culminando com a anomalia chuvosa ocorrendo a partir do dia 11/março nas cidades de Morretes e Antonina. Vale observar que as chuvas só atingiram Paranaguá no dia 12, de acordo com os depoimentos dos moradores locais. O presente trabalho apresenta uma discussão previa dos fatores que influenciam na suscetibilidade a debris flows na Bacia do Rio Santa Cruz. Para isto é realizado um trabalho de caracterização morfométrica com o cálculo do índice de Melton (Wilford et al, 2004), o registro de debris flows na área e os parâmetros H/L dos debris flows identificados. Figura 2: Dados pluviométricos para a Serra do Mar e litoral março/2011 (Paranaguá) Fonte: SIMEPAR, CARACTERIZAÇÃO DA ÁREA A bacia do Rio Santa Cruz compreende uma área de km². O rio Santa Cruz está inserido à bacia do rio Ribeirão, que desagua na baia de Paranaguá (figura 1). Em sua porção superior o rio Santa Cruz é formado pela confluência de três afluentes, os ribeirões Tinguí, Meio e Cachoeira (figuras 3 e 4). O Parque Nacional de Saint-Hilaire/Lange está situado na área de influencia da bacia. Da mesma forma, nas proximidades Colônia Santa Cruz está situada uma das áreas de captação de água do municipio de Paranaguá. O substrato da bacia é composto por rochas graníticas da suíte Paranaguá, cortados por diques de diabásio mesozóicos (Cury, 2009). Ocorrem também depósitos de talús e colúvio como de leque aluvionar (Tanaka et al, 2015). A porção superior da sub-bacia localiza-se na vertente oriental da Serra da Prata, onde as altitudes variam de 10 a 1150 metros (figura 3). A serra da Prata é um nome local da Serra do Mar, e é uma importante serrania do litoral paranaense. Apresenta elevações que podem chegar a 1475 m. Na área de estudo variam de 10 m 15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental 3

4 a 1150 m de altitude (figura 3). A bacia apresenta declividades predominantes entre 3 a 20%, nas porções NE as declividades variam de 0 a 8 % (figura 4). Esta porção é composta por áreas de deposição de sedimentos, com baixa variação altimétrica e a presença de morros isolados. Nesta porção predominam sedimentos de leque que transicionam para depósitos de planície aluvial (Tanaka et al, 2015). Ribeirão Tingui Ribeirão do Meio Ribeirão Cachoeira Figura 3: Mapa Hipsométrico da bacia do rio Santa Cruz (Tanaka et al., 2015). As porções mais a montante as declividades são mais acentuadas variando de 20% a 45%, podendo atingir 75% nas porções NW (figura 4). Nas porções centrais as declividades atingem de 8% a 20%, sendo compreendido pela porção onde se configuram as zonas de ravinamentos, afunilamento do canal e deposição do colúvio e talús observado nas margens da drenagem. A jusante observa-se a presença de matacões no talvegue do canal associados a eventos pretéritos como ao evento estudado. 3. METODOLOGIA A base cartográfica foram as cartas topográficas Alexandra (SG. 22-X-D-V/2- NO) e Paranaguá (SG. 22-X-D-V/2-NE), na escala 1: obtidos a partir de ortofotos do vôo de 1980 (ITCG, 2014). A equidistância das curvas de nível é de 10 m. Os dados morfométricos das bacias e as cartas de hipsometria, aspecto e declividade foram obtidas a partir das curvas topográficas 1: Os dados foram recortados, convertidos para ambiente GIS. Foram então definidos parâmetros da bacia, como a área e a relação entre a altura (H) e a distancia (L) da bacia, bem como calculado o índice de Melton (Wilford et al., 2004). 15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental 4

5 Figura 4: mapa de declividades da bacia do rio Santa Cruz (Tanaka et al., 2015). O mapa de inventário de feições de escorregamentos e deposição associado à debris flow do evento de 2011 foi elaborado a partir de imagem de satélite Worldview1, com resolução espacial de 0,6 metros, obtida em 5/maio/2011, dois meses após o evento climatológico. Com base na imagem, fez-se uma leitura e interpretação das características do debris flow, possibilitando a definição das zonas onde ocorreram os processos de escorregamento, erosão e deposição do material pelos canais. As feições foram separadas segundo a exposição do substrato, em rocha e/ou em solo, bem como marcados os blocos maiores que 3,0m de diâmetro. As áreas com presença de ravinamentos também foram identificadas, assim como possíveis barramentos do fluxo. Estes dados serviram para a caracterização dos mapas preliminares de campo. Nos trabalhos de campo foram validados os dados de fotointerpretação, obtidas medidas estruturais e coletadas amostras de rocha e solo para análises petrográficas e geotécnicas em andamento. Foram então estimados os parâmetros de volume total removido, bem como a relação H/L dos debris flow analisados. Essa relação entre a distância percorrida pelo fluxo e a sua altura (a relação H/L), foi relativamente calculada a partir de dados obtidos em ambiente GIS, onde foi possível estimar uma relação H/L x volume para os debris flows identificados. 4. CALCULO DO INDICE DE MELTON PARA O RIO SANTA CRUZ O índice de Melton (Melton ratio, doravante R) é um índice morfométrico que tem por finalidade fornecer parâmetros para definir áreas sujeita aos eventos relacionados aos debris flow (Welsh e Davies, 2011; Wilford et al., 2004). O índice de Melton é dado pela equação 1: (R) = Hb / Ab^0.5 (1) Onde Hb indica o relevo da bacia (diferença entre o máximo e mínimo das elevações da bacia) e Ab a área total da bacia. Para tal, foram consideradas As sub- 15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental 5

6 bacias dos ribeirões Tinguí, Meio e Cachoeira em separado, uma vez que os debris flows estavam restritos a estas sub-bacias. Assim, os dados obtidos em ambiente GIS foram calculados e agrupados abaixo, para obter-se o índice de Melton (R) (tabela 3). Os valores utilizados e cálculos propostos foram discriminados na tabela 1. Para o cálculo do Índice de Melton (R), foi tomado como medidas para o ribeirão Tinguí, 800 metros da diferença entre as elevações da bacia (910 m cota mais alta e 110 m cota mais baixa) e a raiz quadrada da área com dimensões 1,79 km², temos para a sub-bacia o parâmetro de Melton (R) de 0,60. Para a sub-bacia do ribeirão do Meio encontrou-se a diferenças das elevações de 700 m, sendo a área total de 2,57 Km², assim obteve-se o um valor de R igual a 0,44. Por fim, para o ribeirão Cachoeira a diferença do relevo foi de 1040 m, compreendendo uma área total de 3,27 Km², tem-se R igual a 0,58. Tabela 1: Cálculo do índice de Melton para as sub-bacias do rio Santa Cruz RELEVO DA SUB- ÁREA TOTAL DA ÍNDICE DE MELTON BACIA (m) SUB-BACIA (Km²) Ribeirão Tinguí Ribeirão do Meio Ribeirão Cachoeira ,79 2,57 3,27 0,60 0,44 0,58 5. CALCULO DO VOLUME DO DEBRIS FLOW DE MARÇO/2011 No mapa de inventário de feições de escorregamento e deposição dos debris flow (figura 5) foram propostas as áreas preferenciais para cada feição, sendo que as zonas de cicatrizes tanto com exposição de rocha como de solo perfazem uma área de m² (tabela 2). Esta zona predomina em cotas superiores a 410 m e observam-se os escorregamentos translacionais rasos em sua maioria, considerando uma profundidade média de 1,5m, foi calculado o volume de m³. Tabela 2: Volume de massa escorregada. ÁREA (m²) Exposição Rocha e solo Ravinamentos e depósito de tálus Leque Aluvio-coluvionar 896, , ,293 PROFUNDIDADE MÉDIA DO SOLO (m) 1,5 2,0 1,5 VOLUME REMOVIDO (M³) 1344, , ,939 Na zona de ravinamentos/afunilamento e depósitos de tálus compreende uma área de m², considerando espessura de 2 m, temos m³ de material escorregado. Na zona de confluência dos três ribeirões o capão de mata observado provavelmente serviu de barramento para a fluxo, e a partir deste ponto o canal foi caracterizado pela zona de perda de energia e consequente deposição de colúvios e tálus. O trecho seguinte compreende ao leque que perfaz uma área de m², associado a uma profundidade estimada de 1,5 m, tem-se como volume m³ de material. Apesar dos cálculos acima apresentarem imprecisões e serem estimativas, pode-se estimar o volume total do fluxo de fluxo de detritos gerados no evento estudado. O cálculo do material erodido se fez seguindo a equação de Jackob (2005b) (equação 2): 15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental 6

7 v t = Sv i + Sv e Sv d, (2) Onde V i é o volume das cicatrizes de escorregamento, V e é o material erodido no canal para formar as ravinas e V d é o volume final depositado, seja no canal seja no leque. Para este cálculo, o volume total do debris flow atingiu 1,7 x 10³ m³ para as três sub-bacias. Para relação entre a distância percorrida pelo fluxo e a sua altura (a relação H/L), foram considerados para os três ribeirões principais (Tinguí, Meio e Cachoeira). Nesta análise o ribeirão Tinguí obteve relação H/L= 0,23, para uma distância horizontal de 2600 m e altura de 610 m. Figura 5: Mapa de Inventário de Feições de escorregamentos e deposição associado a debris flow. Para o ribeirão do Meio a relaçao H/L= 0,27, para uma distância horizontal de 2400 m e altura de 660 m. Por fim, para o ribeirão Cachoeira a relação H/L= 0.19, para uma distância horizontal de 3400 m e altura de 600 m. Os resultados foram sistematizados na tabela a seguir (tabela 3): Tabela 3: Relação H/L para as sub-bacias estudadas. DISTÂNCIA HORINZONTAL (m) ALTURA DA DRENAGEM (m) RELAÇÃO H/L Ribeirão Tinguí ,23 Ribeirão do Meio ,27 Ribeirão Cachoeira ,19 6. DISCUSSÕES A partir dos dados obtidos e o auxílio das categorias propostas por Wilford et al.(2004) podemos classificar os valores obtidos anteriormente. Assim, para os limiares de perigo (hazards) e os parâmetros de comprimento das sub-bacias 15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental 7

8 estudadas temos para o índice de melton os valores para cada fluxo correspondendo ao limiar de risco para fluxo de detritos, detritos de inundação e fenômenos fluviais. Estas categorias encontram-se descritas a seguire na tabela 4: R < 0,30: limiar do qual os processos fluviais convencionais são geralmente o processos dominantes de formação em um divisor de águas; R 0,30-0,60: limite para a gama bacias hidrográficas propensas a detritos-flows; R > 0,60: limite acima do qual bacias hidrográficas são propensas a detritos-flows. Além disso, estas classes foram definidas para valores de comprimento de bacias hidrográficas (WL) seguinte Wilford et al. (2004): para WL 2.7 km, o fluxo de detritos pode ocorrer na bacia hidrográfica e WL> 2.7 km, processos e / ou detritos fluviais, inundações são os processos dominantes na bacia hidrográfica Essas informações promoveram 6 combinações diferentes rotuladas de A a F de R e L, assim agrupando tais informações temos (tabela 4): Tabela 4: Relação de Melton (R) e Comprimento de Bacias Hidrográficas (WL) CATEGORIA COMBINAÇÃO VALORES OBTIDOS CLASSIFICAÇÃO RIBEIRÕES A B C D E F R < 0,30; comprimento > 2,7 km R < 0,30; comprimento < 2,7 km R 0,30-0,60; comprimento > 2,7 km R 0,30-0,60; comprimento < 2,7 km R > 0,60; comprimento > 2,7 km R > 0,60; comprimento < 2,7 km 0,58; 4,1 Km 0,60; 2,89 Km 0,44; 2,86 Km Cachoeira Tinguí; do Meio Os ribeirões Cachoeira (Melton 0,58, L=4,1 km) e do Meio (Melton 0,44, L=2,86 km) foram classificados na categoria C e assim segundo esta categorização proposta por Wilford (2004), como bacias mais propensas a eventos de debris floods em relação à debris flows. O ribeirão Tingui (Melton 0,60, L=2,8 km) foi classificado na entre as categorias E e F, e isto corresponde à bacias sujeitas debris flows. Uma vez que o reconhecimento de campo e a fotointerpretação identificou características de debris flows (Tanaka et al., 2015), é mais provável que estes resultados estarem tão somente fora do campo de debris flows típicos, como os classificados por Wilford et al. (2004) na Columbia Britânica. Welsh e Davies (2011) consideram que o limite da classificação entre debris flows e debris floods deve ser considerado para valores de R>0,5. No Brasil, os trabalhos de CPRM-IPT consideram valores acima de 0,45 como valores típicos de drenagens suscetíveis a debris flows (Bitar, 2014). O volume de deposição do rio Santa Cruz na confluência das três drenagens é de 1,7 x 10³ m³. Este volume, sem levar em conta outros parâmetros, representa um volume correspondente a debris flow da classe 2 de Jackob (2005). No entanto, estes dados são preliminares. São necessários outros parâmetros, como descarga de pico atingimento (runout) e outros para uma caracterização destes debris flows (Jakob, op.cit.). 7. CONCLUSÕES A ocorrência de debris flows está relacionada, em primeiro lugar, com as características morfométricas das bacias. Segundo o trabalho de Wilford et al., (2004), bacias com índice de Melton > 0,6 e comprimento (L) de bacia menor que 2,7 são os mais propensos a ocorrência de debris flows. No entanto, a ocorrência deste fenômeno pode estar relacionada com índices de Melton inferiores a 0,6, como proposto por Welsh & Davies (2011). São necessários novos trabalhos para melhor caracterizar estas bacias, onde a 15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental 8

9 deposição de material começou bem mais a montante, como na bacia do rio Cachoeira (figura 5). Já a bacia com maior suscetibilidade de ocorrência foi a bacia do rio Tingui. Entretanto, nesta bacia a deposição parece ter-se dado na confluência dos três rios, ou seja, na própria barra. Os dados obtidos até o presente indicam a presença de debris flows ou debris floods na bacia do rio Santa cruz e seus formadores no episodio de março/2011. O prosseguimento dos trabalhos deve levar em conta, para cada bacia isolada, dos parâmetros morfométricos e dos parâmetros de cada debris flow observado. O refinamento destes dados é importante para que se possam ter bons mapas de suscetibilidade e hazard para estas areas. 8. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à FAEPEX-UNICAMP e ao PIBIC pelo financiamento deste trabalho e ao Instituto de Geociências - IG pelo apoio as etapas de campo. Agradecemos aos colegas do grupo de estudos de Desastres do IG-UNICAMP pelas discussões. Os autores tambem agradecem ao Prof. Renato Lima (CENACID/UFPR), líder do projeto IPL-182 (Characterization of Landslides Mechanism and impacts as a tool to fast risk analysis of landslides-related disasters in Brazil) pelo apoio e incentivo. REFERÊNCIAS BITAR, O. Y. (coord) (2014) Cartas de suscetibilidade a movimentos gravitacionais de massa e inundações: 1: (livro eletrônico): nota técnica explicativa -- São Paulo : IPT Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo ; Brasília, DF : CPRM Serviço Geológico do Brasil, (Publicação IPT; 3016) 5 Mb ; PDF. CURY, L.F. (2009). Geologia do Terreno Paranaguá. DR thesis, Instituto de Geociências, Universidade de São Paulo, Brazil. FERNANDES, N. F.; AMARAL, C. P. (1996) Movimentos de massa: uma abordagem geológico-geomorfológica. In GUERRA, A.J.T. e CUNHA,S.B. (org.) Geomorfologia e Meio Ambiente. Bertrand, Rio de Janeiro: HUNGR, O. LEROUEIL S. PICARELLI L. (2014) The Varnes classification of landslide types, an update. Landslides (2014) 11: HUNGR, O., EVANS, S.G., BOVIS, M.J., HUTCHINSON, J.N., (2001). A review of the classification of landslides in the flow type. Environmental and Engineering Geoscience VII (3), Hungr, O 2005 Classification and terminology. In: Jakob, M and Hungr, O (2005) Debris flow hazards and related fenomena. Springer/Praxis, pag ITCG-PR (Instituto de Terras Cartografia e Geociências - Governo do Paraná) (2014) Produtos Cartográficos. Disponível em: modules/conteudo/conteudo.php?conteudo=47>acesso: 3/abril/2014. JAKOB, M. (2005a) Debris flow hazard analysis. In: Jakob, M and Hungr, O (2005) Debris flow hazards and related fenomena. Springer/Praxis, paag JAKOB, M. (2005b) A size classification for debris flows. Engineering Geology 79: KANJI MA, CRUZ PT, MASSAD F, ARAUJO FILHO HA (1997) Basic and common 15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental 9

10 characteristicsof debris flows. 2 nd Panamerican Symposium on Landslides and 2 Congr. Bras.Estabilidade Encostas COBAE, R. Janeiro, 1: PIERSON, TH, 2005 Hyperconcentrated flow transitional process between water flow and debris flow. In: JAKOB, M & HUNGR, O (2005) Debris flow hazards and related phenomena. Springer/Praxis, 795 pags. RICKENMANN D. Empirical Relationships for Debris Flows. Natural Hazards 19: 47 77, SIMEPAR (2012) Tecnologia e informações ambientais. Disponível em: < Acesso em: 20 Dez TANAKA, H. S., PICANÇO, J. L., COSTA, V. V., OLIVEIRA, E. F., LOPES, A. B. B. (2015) Caracterização dos Fluxos de Detritos (debris flows) na Bacia do Rio Santa Cruz, Paranaguá-PR, no evento metereológico de Março de 2011 In: 9º Simpósio Brasileiro de Cartografia Geotécnica e Geoambiental, 2015, Cuiabá. V.único. WELSH, A & DAVIES,T. (2011) Identification of alluvial fans susceptinle to debris-flow hazards. Landslides (2011), V.8 ( jan), p WILFORD D. J. SAKALS, M. E. INNES, J. L. SIDLE R. C. BERGERUD W. A. (2004) Recognition of debris flow, debris flood and flood hazard through watershed morphometric. Landslides 1: º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental 10