MODELAGEM HIDRODINÂMICA DO BAIXO RIO SÃO FRANCISCO PARA AVALIAÇÃO DOS ESCOAMENTOS E CENÁRIOS DE VAZÕES ECOLÓGICAS

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA AGRONÔMICA NÚCLEO DE PÓS-GRADUAÇÃO E ESTUDOS EM RECURSOS NATURAIS MODELAGEM HIDRODINÂMICA DO BAIXO RIO SÃO FRANCISCO PARA AVALIAÇÃO DOS ESCOAMENTOS E CENÁRIOS DE VAZÕES ECOLÓGICAS Arisvaldo V. Mello Coordenador São Cristóvão Outubro de 2006

2 EDITAL MCT/CNPq-CT-HIDRO N. 45/2006 REDE: ESTUDO DO REGIME DE VAZÕES ECOLÓGICAS PARA O BAIXO CURSO DO RIO SÃO FRANCISCO: UMA ABORDAGEM MULTICRITERIAL PROJETO DE PESQUISA A. Indicação da bacia hidrográfica A bacia considerada no projeto será a região fisiográfica do Baixo curso do rio São Francisco, região compreendida entre a cidade de Paulo Afonso, no Estado da Bahia e a foz, com área de km 2, representando aproximadamente 5% da área total da bacia. B. Linha de apoio da sub-rede Este projeto está inserido na linha de apoio que compreende aspectos hidrológicos para a identificação do comportamento hidrodinâmico do escoamento tanto no processo de cheias quanto no de secas. C. Título do projeto Modelagem hidrodinâmica do baixo rio São Francisco para avaliação dos escoamentos e cenários de vazões ecológicas. D. Coordenador da rede A rede de vazões ecológicas terá como coordenadora a Dra. Yvonilde Dantas Pinto Medeiros da Universidade Federal da Bahia.

3 E. Equipe executora A seguir serão apresentados os integrantes da equipe executora, instituição e suas respectivas cargas horárias semanais dedicadas ao projeto: - Dr. Arisvaldo Vieira Méllo (Coordenador), Universidade Federal de Sergipe, 8 h; - Sc., Universidade Federal de Sergipe, 6 h; - Dr. José Almir Cirilo, Universidade Federal de Pernambuco, 4 h; - MSc., Centro Federal de Educação Tecnológica de Sergipe, 4 h; - Bolsista de Desenvolvimento Tecnológico e Industrial Nível 3 a ser indicado, Universidade Federal de Sergipe, 20 h; - Bolsista de Iniciação Científica, alunos de graduação a ser indicado, Universidade Federal de Sergipe, 8 h. F. Descrição do projeto Objetivo O objetivo principal deste projeto é ajustar um modelo hidrodinâmico para o baixo curso do rio São Francisco para simular os escoamentos nos compartimentos geomorfológicos, suas condições de fluxo, o perfil da linha d água e as zonas de inundação associadas às probabilidades de ocorrência. O modelo deverá contribuir para uma melhor compreensão dos impactos provocados pela variação do escoamento nos processos erosivos potenciais, de transporte e deposição de sedimentos que ocorrem no trecho, nos aspectos geomorfológicos e bióticos, sendo importante fator a ser considerado na definição da vazão ecológica do rio. Justificativa A importância em se estabelecer meios para avaliar de forma precisa os sistemas de recursos hídricos e os processos que determinam a qualidade ambiental é cada vez mais necessário. Problemas de déficit hídrico, inundações, poluição da água, irrigação ineficiente, erosão do solo e sedimentação, desmatamento, manejo inadequado da bacia tem se tornado cada vez mais comum. Ações que visem estabelecer critérios para auxiliar a gestão dos recursos hídricos e a proteção ao meio ambiente requerem o aperfeiçoamento de técnicas que podem simular, de maneira

4 integrada e global, o comportamento de sistemas complexos. A avaliação do regime de escoamento do rio auxilia o entendimento básico dos processos hidrológicos, hidrodinâmicos, morfológico, biológicos e químicos, podendo contribuir na definição de melhores estratégias de manejo da bacia. A região do Baixo São Francisco já apresenta conflitos pelo uso da água considerados de grande relevância envolvendo a agricultura irrigada, a geração de energia (instalação das barragens e operação de reservatórios), o uso da água para o abastecimento humano, a diluição de efluentes urbanos, industriais e da mineração e a manutenção dos ecossistemas. Os problemas de degradação ambiental são associados principalmente à descarga de dejetos orgânicos não tratados diretamente no rio e a erosão das margens exercida pela ação da corrente fluvial. Os estudos do processo erosivo das margens do baixo São Francisco e seus efeitos na dinâmica da sedimentação do rio (GEF, 2003) como parte do Programa de Ações Estratégicas para o gerenciamento integrado da bacia do rio São Francisco e da sua zona costeira (GEF, 2004) apontaram para a necessidade do aprofundamento das técnicas de avaliação e quantificação dos problemas ambientais ocorridos na bacia. Uma necessidade apontada foi a realização de levantamentos morfológicos e batimétricos na calha do rio para a implantação de modelos hidrodinâmicos para orientar as ações que visem o controle da erosão e do assoreamento do baixo curso, e melhor compreender os impactos causados por grandes cheias e vazões mínimas. Torna-se necessário utilizar técnicas para avaliar as variações da vazão críticas do rio e seus efeitos sobre as áreas inundadas e as elevações de nível em suas margens. Para atender a esse objetivo será empregado um modelo hidrodinâmico para caracterizar o escoamento no baixo curso do rio. Cirilo (1991) obteve resultados satisfatórios quando utilizou um modelo dessa natureza para determinar a propagação de ondas de cheia no rio São Francisco no trecho entre a usina hidrelétrica de Três Marias e a foz. Apesar disso, ainda é necessário detalhar os estudos para o baixo curso do rio. Metodologia Vários cenários de fluxo hidráulico não permanente serão modelados por meio do programa HEC-RAS (US ARMY, 2002). Serão realizadas simulações unidimensionais do fluxo em trechos longitudinais do rio. Os dados necessários para realizar análises são: geometria da seção transversal, comprimento dos trechos, dados do fluxo não permanente (velocidade da água e altura da lâmina de água) informações a respeito da junção do rio, e condições iniciais e de contorno. O modelo será calibrado por meio do levantamento das informações necessárias no campo incluindo dados de níveis e vazões obtidos com linígrafos automáticos. A instalação dos

5 linígrafos será realizada com os levantamentos batimétricos das seções do rio para a determinação das curvas-chave. As seções serão escolhidas de forma a representar mudanças morfológicas (largura, profundidade, declividade, rugosidade, meandros) que afetam o fluxo e a solução numérica do problema. O escoamento será descrito por um sistema de equações diferenciais que será resolvido por meio de uma técnica de linearização das equações (LIGGETT e CUNGE, 1975). Os parâmetros obtidos na fase de calibração serão utilizados na simulação de outros cenários de vazão. Nesta fase o modelo será validado para situações diferentes das encontradas no processo de calibração. Resultados Esperados Modelos hidrodinâmicos utilizam as equações de continuidade de quantidade de movimento, representando as forças de inércia do escoamento, de pressão, de gravidade e a de atrito. Este tipo de modelo é preciso para representar fisicamente do escoamento e permitem simular alterações do sistema (TUCCI, 1998). Os resultados obtidos com o modelo HEC-RAS serão úteis para uma melhor compreensão dos efeitos de vazões máximas e mínimas no processo de erosão das margens e de sedimentação do rio, na ocupação de áreas marginais, operação dos reservatórios e a navegação. Este trabalho contribuirá para enriquecer o processo de decisão pelo aporte de informações indispensáveis para o melhor conhecimento dos problemas que ocorrem na região fisiográfica do baixo São Francisco e da sua zona costeira, contribuindo assim para a definição da vazão ecológica e para a recuperação ambiental da bacia. Os aspectos principais a serem analisados referem-se: a) ao comportamento hidrológico do baixo São Francisco como reflexo da operação das usinas hidrelétricas localizadas à montante; b) a análise da viabilidade técnica, econômica e ambiental da realização de cheias artificiais a jusante do reservatório Xingó, considerando aspectos relativos aos impactos nas populações ribeirinhas, no sistema elétrico interligado e na geomorfologia do rio; e c) a consolidação do conhecimento dos meios disponíveis para revitalizar a navegação e outras atividades econômicas no trecho. G. Indicar a área física e geográfica de abrangência da pesquisa A área de abrangência do projeto será a região fisiográfica do baixo curso do rio São Francisco no trecho entre o reservatório de Xingó e a foz, perfazendo um comprimento do rio principal de cerca de 240 km. A região é atravessada por seis domínios morfoclimáticos caracterizando diferentes unidades geomorfológicas.

6 H. Integração do projeto de pesquisa com os demais projetos da sub-rede O projeto fornecerá informações sobre a dinâmica do escoamento do rio que serão úteis às análises a serem feitas em outros projetos da rede envolvendo as três linhas de apoio do edital. A equipe técnica integrante do projeto envolve pesquisadores com experiência na área de análise de sistemas de recursos hídricos de duas Universidades Federias (UFS e UFPE) e um Centro Federal de Educação Tecnológica (CEFET-SE), além de alunos de graduação interessados em participar de programa de iniciação científica. Os pesquisadores deverão interagir com as equipes técnicas de outros projetos da rede facilitando a articulação do desenvolvimento dos trabalhos de for integrada com as instituições e com os outros pesquisadores da rede. A comunicação e a troca de informações entre as equipes ocorrerão por meio de reuniões técnicas onde os problemas peculiares a cada projeto e a forma com que eles irão interagir serão discutidos.

7 I. Participação dos membros em outros projetos Arisvaldo V. Mello (como pesquisador colaborador da EPUSP e Prof. Adjunto da UFS): Título Ação Integrada para o Desenvolvimento do SSD para o Gerenciamento dos Recursos Hídricos nas Bacias PCJ e AT Plataforma generalizada para análise de outorga e lançamento de efluentes Atualização do sistema de Suporte a Decisões para operação dos grandes sistemas produtores da Sabesp Tipo de participação Dedicação (h/sem) Vigência Pesquisador 4 30/09/2004 a 30/03/2007 Pesquisador 4 16/12/2004 a 16/12/2006 Pesquisador 4 10/09/2004 a 10/09/2007 Recursos (R$) Agência Financiadora ,00 FAPESP ,00 FINEP ,00 SABESP (Prof. Adjunto da UFS): Título Respostas da Região da Foz do Rio São Francisco ao Declínio no Aporte de Sedimentos Fluviais Devido à Construção das Grandes Barragens, com Ênfase nos Processos Erosivos Tipo de participação Dedicação (h/sem) Vigência Pesquisador a 2007 Recursos Agência (R$) Financiadora ,00 CT-Hidro (Prof. do CEFET-SE): Título Respostas da Região da Foz do Rio São Francisco ao Declínio no Aporte de Sedimentos Fluviais Devido à Construção das Grandes Barragens, com Ênfase nos Processos Erosivos Curso de Especialização em Geotecnologias Tipo de participação Dedicação (h/sem) Vigência Pesquisador a 2007 Colaborador a 2007 Recursos Agência (R$) Financiadora ,00 CT-Hidro

8 J. Atividades a serem realizadas Atividade Início Duração Descrição Responsável Participantes Indicador Progresso Compilação de dados existente Banco de dados alimentado Aquisição de equipamentos Levantamento das seções transversais do rio Calibração do modelo Validação do modelo Estudo dos efeitos de cheias na inundação da planície fluvial Desenvolvime nto de indicadores para subsídio à estimativa de vazões ecológicas Relatório Final do projeto 01/07 3 Obtenção dos dados vazão, níveis, precipitação, sedimentação, tipo de solo e uso e ocupação do solo 01/07 5 Compra de linígrafos e réguas 04/07 4 Definição das seções e determinação das curvas-chave 08/07 8 Ajuste dos parâmetros do modelo hidrodinâmico 02/08 4 Avaliação dos parâmetros em simulações de diferentes cenários de vazão 06/08 3 Simulação do escoamento e identificação da elevação do nível d água associado ao período de retorno das vazões 09/08 3 Indicação de níveis críticos de cheias para inundação de várzea fluvial e de vazões mínimas do rio 11/08 2 Elaboração do relatório final contendo os dados, os resultados, as análises de as conclusões obtidos com o projeto José Almir Cirilo Bolsiata DTI 3 José Almir Cirilo José Almir Cirilo José Almir Cirilo Equipamen tos adquiridos Dados das curvaschave das seções Resultados do modelo Resultados do modelo Resultados do modelo Índice desenvolvi do Relatório Técnica apresentad o

9 K. Orçamento e cronograma de desembolso Orçamento Despesa Quantidade Valor Unitário (R$) Valor Total (R$) Custeio ,33 Resma de papel A ,00 200,00 Cartuchos de impressora 4 150,00 600,00 CD Rom 20 1,20 24,00 Combustível 2000 litros 2, ,00 Passagens , ,00 Diárias , ,33 Aluguel de barco 30 diárias ,00 Capital ,00 Linígrafo automático , ,00 Régua Fluviométrica de PVC rígido 50 28, ,00 Bateria de 12V 4 50,00 200,00 Microcomputador Dektop , ,00 Serviço Terceiro Pessoa Física 7.200,00 Programador computacional 200 horas 30, ,00 Imposto 20% 1.200,00 Serviço Terceiro Pessoa Jurídica 6.315,23 Gerenciamento Administrativo e 5% , ,23 Financeiro - FAPESE Bolsas ,36 DTI ,89 ( ,36 meses) IC 1 300,00 ( ,00 meses) TOTAL ,92

10 Cronograma de Desembolso Desembolso Item de despesa Mês Custeio Resma de papel A4 100,00 Cartuchos de impressora 300,00 CD Rom 12,00 Combustível 2.600,00 Passagens 7.350,00 Diárias 4.789, ,00 Aluguel de barco Capital Linígrafo automático ,00 Régua Fluviométrica de PVC 1.400,00 rígido Bateria de 12V 200,00 Microcomputador Dektop ,00 Serviço Terceiro Pessoa Física Programador computacional 3.600,00 Imposto Serviço Terceiro Pessoa Jurídica Gerenciamento Administrativo e 6.315,23 Financeiro - FAPESE Bolsas DTI - III 1.045, , , , , , , , , , , ,89 IC 300,00 300,00 300,00 300,00 300,00 300,00 300,00 300,00 300,00 300,00 300,00 300,00 TOTAL , , , , , , , , , , , ,89

11 Desembolso Item de despesa Mês Custeio Resma de papel A4 100,00 Cartuchos de impressora 300,00 CD Rom 12,00 Combustível 2.600,00 Passagens 7.350,00 Diárias 4.789,67 Aluguel de barco 2.000,00 Capital Linígrafo automático Régua Fluviométrica de PVC rígido Bateria de 12V Microcomputador Dektop Serviço Terceiro Pessoa Física Programador computacional 3.600,00 Imposto Serviço Terceiro Pessoa Jurídica Gerenciamento Administrativo e Financeiro - FAPESE Bolsas DTI - III 1.045, , , , , , , , , , , ,89 IC 300,00 300,00 300,00 300,00 300,00 300,00 300,00 300,00 300,00 300,00 300,00 300,00 TOTAL , , , , , , , , , , , ,89

12 L. Contrapartida A contrapartida das instituições envolvidas no projeto refere-se: i. À participação dos professores pertencentes aos seus quadros com a seguinte titulação: dois Doutores, um Mestre e um Graduado, todos com experiência na área de recursos hídricos. A carga horária dedicada pelos pesquisadores será h constituindo um valor financeiro estimado em R$ ,00; ii. À disponibilidade da infra-estrutura local de apoio logístico ao projeto tais como uso do espaço físico de laboratório, serviços de biblioteca, de operação e manutenção (equipamento, rede elétrica, telefonia, limpeza, etc.), e de rede computacional; iii. À disponibilidade de outros equipamentos necessários à execução da pesquisa tais como molinete hidráulico para medição de velocidade e vazão em rios, estação total para levantamento topográficos, GPS sub-métrico, Sonar de varredura e Ecobatímetro digital. M. Comprovante de autorização e permissão Desnecessário. N. Recursos complementares de outras fontes Não há previsão de recursos complementares ao projeto. O. Mecanismos para transferência de tecnologia Os dados, informações e resultados obtidos com desenvolvimento do projeto serão compartilhados com os outros projetos integrantes da rede intitulada Estudo do regime de vazões ecológicas para o baixo curso do rio São Francisco: uma abordagem multicriterial. A comunicação entre os projetos ocorrerá por meio de transferência eletrônica de dados e informações via internet e de reuniões técnicas. Os dados e informações também serão compartilhados com o órgão gestor nacional (ANA), os órgãos gestores estaduais (Secretarias de Recursos Hídricos) e o Comitê da Bacia do rio São Francisco. A metodologia empregada e a tecnologia desenvolvida deverá ser divulgada em veículos de publicação científica, em cursos de pós-graduação e em cursos de treinamento de técnicos das instituições interessadas.

13 P. Referências bibliográficas CIRILO, J.A. Análise dos processos hidrológicos hidrodinâmicos na bacia do rio São Francisco. Tese de Doutorado. Programa de Engenharia Civil, COPPE/UFRJ GEF. FUNDO PARA O MEIO AMBIENTE MUNDIAL. Projeto de gerenciamento integrado das atividades desenvolvidas em terra na bacia do rio São Francisco: Estudo do processo erosivo das margens do baixo São Francisco e seus efeitos na dinâmica da sedimentação do rio. Sub-projeto 2.4. ANA/GEF/PNUMA/OEA GEF. FUNDO PARA O MEIO AMBIENTE MUNDIAL. Projeto de gerenciamento integrado das atividades desenvolvidas em terra na bacia do rio São Francisco: Programa de ações estratégicas para o gerenciamento integrado da bacia do rio São Francisco e da sua zona costeira. ANA/GEF/PNUMA/OEA LIGGETT, J.A.; CUNGE, J.A. Numerical methods of simulation of the unsteady flow equation. In: Unsteady flow in open channels. Ed. MAHMOOD, K.; YEVJEVICH, V. Water Resources Publications, Ft. Collins, US ARMY CORPS ENGINEERS. River analysis systems (HEC-RAS). Hyfraulic Reference Manual, version 3.1, California, TUCCI, C.E.M. Modelos hidrológicos. Porto Alegre: UFRS/ABRH, 1998.