DINÂMICA DA FLOCULAÇÃO DE SEDIMENTOS FINOS NO ESTUÁRIO DO RIO
AMAZONAS
Luana Carolina da Silva Freire Gallo
Tese de Doutorado apresentada ao Programa de
Pós-graduação em Engenharia Oceânica, COPPE,
da Universidade Federal do Rio de Janeiro, como
parte dos requisitos necessários à obtenção do
título de Doutor em Engenharia Oceânica.
Orientadora: Susana Beatriz Vinzón
Rio de Janeiro
Maio de 2014
i
DINÂMICA DA FLOCULAÇÃO DE SEDIMENTOS FINOS NO ESTUÁRIO DO RIO
AMAZONAS
Luana Carolina da Silva Freire Gallo
TESE SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DO INSTITUTO ALBERTO LUIZ COIMBRA
DE PÓS-GRADUAÇÃO E PESQUISA DE ENGENHARIA (COPPE) DA UNIVERSIDADE
FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS
PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE DOUTOR EM CIÊNCIAS EM ENGENHARIA
OCEÂNICA.
Examinada por:
________________________________________________
Profª. Susana Beatriz Vinzón, D.Sc.
________________________________________________
Prof. Afonso de Moraes Paiva, Ph.D.
________________________________________________
Profª Josefa Varela Guerra, Ph.D.
________________________________________________
Prof. Francisco Peddochi Miljan, Ph.D.
________________________________________________
Prof. Alfredo Emílio Trento, D.Sc.
RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL
MAIO DE 2014
ii
Gallo, Luana Carolina da Silva Freire
Dinâmica da Floculação de Sedimentos Finos no
Estuário do Rio Amazonas/ Luana Carolina da Silva
Freire Gallo. – Rio de Janeiro: UFRJ/COPPE, 2014.
XIV, 131 p.: il.; 29,7 cm.
Orientador: Susana Beatriz Vinzón
Tese (doutorado) – UFRJ/ COPPE/ Programa de
Engenharia Oceânica, 2014.
Referências Bibliográficas: p. 124-131.
1. Rio Amazonas. 2. Estuário. 3. Floculação. I.
Vinzón, Susana Beatriz. II. Universidade Federal do Rio
de Janeiro, COPPE, Programa de Engenharia Oceânica.
III. Título.
iii
À minha família, em especial ao meu marido Marcos e ao meu filho Pedro.
iv
AGRADECIMENTOS
A todos que acompanharam esta fase da minha vida desejo expressar o meu profundo
reconhecimento e agradecimento.
Á minha orientadora Susana Beatriz Vinzón e ao professor Marcos Gallo, quero
expressar o meu mais sincero agradecimento pela disponibilidade, paciência,
ensinamentos, dedicação e principalmente amizade.
Aos membros da banca examinadora pela disponibilidade, empenho na leitura do texto e
valiosas considerações.
Aos meus pais, Luiz Antônio e Elba, minha eterna gratidão pelo amor, carinho e
permanente incentivo nos momentos mais difíceis.
Meu agradecimento especial aos colegas e amigos do LDSC pela companhia, amizade e
contribuições. Em especial à bolsista Raphaela de Paiva Mendonça por todo o apoio e
auxílio na execução do trabalho experimental.
A Cristina Coelho, Marise Cardoso, Solange Gomes e Mara Lúcia, pela atenção,
disposição, bom humor, carinho e amizade a mim conferida.
À CAPES (Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior) e FAPERJ
(Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro) pelo apoio financeiro
fornecido durante a pós-graduação.
Aos professores e funcionários do Programa de Engenharia Oceânica pela atenção
dispensada.
v
Resumo da Tese apresentada à COPPE/UFRJ como parte dos requisitos necessários
para a obtenção do grau de Doutor em Ciências (D.Sc.)
DINÂMICA DA FLOCULAÇÃO DE SEDIMENTOS FINOS NO ESTUÁRIO DO RIO
AMAZONAS
Luana Carolina da Silva Freire Gallo
Maio/2014
Orientadora: Susana Beatriz Vinzón
Programa: Engenharia Oceânica
A presença do processo de floculação de sedimentos finos em suspensão foi
analisada em um trecho ao longo do canal de navegação na foz do Rio Amazonas e
antes da influência da frente salina. Nas medições in situ o tamanho dos flocos medidos
variou entre 70 e 400 µm sendo função das condições hidrodinâmicas locais, variáveis no
tempo e no espaço. Foi observada proporcionalidade entre o tamanho dos flocos,
turbulência e concentrações de sedimentos em suspensão, ao longo do transect
analisado e no ciclo da maré, ressaltando a importância da ressuspensão do material de
fundo na dinâmica local. Em discrepância ao que foi observado nos dados in situ, mas de
acordo com o esperado no processo de agregação controlado pelas tensões de
cisalhamento, nos experimentos de laboratório o tamanho dos flocos se mostrou
inversamente proporcional às mesmas. Contrário ao esperado, a relação entre o tamanho
dos flocos e a concentração de sedimentos também se mostrou inversa, o que pode ser
devido às características intrínsecas do material, mas que não foi elucidado nesta tese. O
processo de floculação determina o tamanho e densidade das partículas em suspensão e
é fundamental nos processos de transporte de sedimentos finos e, portanto, na formação
do depósito lamoso observado ao largo do canal de navegação que se estende pela
plataforma continental Amazônica.
vi
Abstract of Thesis presented to COPPE/UFRJ as a partial fulfillment of the requirements
for the degree of Doctor of Science (D.Sc.)
DYNAMICS OF FINE SEDIMENT FLOCCULATION ON THE AMAZON ESTUARY
Luana Carolina da Silva Freire Gallo
May/2014
Advisor: Susana Beatriz Vinzón
Department: Ocean Engineering
The flocculation process of fine suspended sediment was analyzed along a transect
on the navigation channel at the Amazon River estuary and before the influence of the
salinity front. In situ measurements shows flocs sizes ranged between 70 and 400 µm,
function of local hydrodynamic conditions, varying in time and space. The floc size is
proportional a turbulence and suspended sediment concentrations, along the transect
analyzed and during the tide cycle, highlighting the importance of resuspension in local
dynamics. Laboratory experiments indicated inverse relation between floc size and
turbulence, in discrepancy it was observed in situ data, but as expected in the aggregation
process that is dominated by shear stress. Contrary to expectations, the relationship
between the floc size and sediment concentration was also inverse, which may be due to
the intrinsic characteristics of the material, but it was not elucidated in this work. The
flocculation process determines the size and density of particulate matter is essential in
transport processes of fine sediments and therefore the formation of the observed muddy
deposit along the navigation channel that extends to Amazon continental shelf.
vii
ÍNDICE
1
INTRODUÇÃO ...........................................................................................................1
2
OBJETIVOS ...............................................................................................................5
3
DINÂMICA DA FLOCULAÇÃO EM AMBIENTES ESTUARINOS – ESTADO DA
ARTE .................................................................................................................................6
3.1
Cinética da floculação ........................................................................................6
3.1.1 Breve revisão dos conceitos de turbulência associados à floculação .............6
3.1.2 Taxa de cisalhamento (G) ..............................................................................7
3.1.3 Concentração de sedimentos em suspensão (C) ...........................................8
3.1.4 Modelo lagrangeano de floculação (WINTERWERP, 1998) ...........................9
3.1.5 Influência de outras variáveis na cinética da floculação: pH e salinidade......10
3.2
Dinâmica da floculação em regiões estuarinas ao longo do ciclo de maré .......11
3.3
Papel da floculação na formação do depósito lamoso ......................................14
3.4
Técnicas para medições de tamanho de flocos ................................................15
4
CARACTERIZAÇÃO DO MATERIAL EM SUSPENSÃO IN SITU E FLOCULAÇÃO
NO RIO AMAZONAS .......................................................................................................17
4.1
Dados coletados em campo .............................................................................17
4.2
Hidrodinâmica – cálculo da taxa de cisalhamento (G) ......................................22
4.3
Concentrações de sedimentos em suspensão .................................................41
4.3.1 Estimativa da velocidade de queda das partículas ( ws ) ...............................52
4.4
Distribuição de tamanhos dos sedimentos .......................................................58
4.4.1 Material do leito ............................................................................................58
4.4.2 Sedimentos em suspensão: partículas dispersas .........................................60
4.4.3 Sedimentos em suspensão in situ: flocos .....................................................64
4.5
5
Discussão: floculação no estuário do rio Amazonas .........................................75
EXPERIMENTOS DE FLOCULAÇÃO EM LABORATÓRIO .....................................77
5.1
Arranjo experimental ........................................................................................79
5.2
Floculador do tipo jarra de mistura ...................................................................80
5.2.1 Hidrodinâmica global em jarras de mistura ...................................................82
5.2.2 Hidrodinâmica local em jarras de mistura .....................................................83
5.3
Experimentos de floculação em laboratório ......................................................91
5.3.1 Testes preliminares ......................................................................................92
5.3.2 Experimentos de floculação em condições de equilíbrio ...............................97
5.3.2.1 Influência da taxa de cisalhamento (G) ...............................................100
5.3.2.2 Influência da concentração de sedimentos em suspensão (C) ...........109
5.3.3 Experimentos de floculação em desequilíbrio .............................................112
5.4
Discussões: experimentos de floculação com Jar test ....................................118
6
CONCLUSÕES ......................................................................................................121
7
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .......................................................................124
viii
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. Carta Náutica Digital N° 200 da Diretoria de Hidrografia e Navegação do Brasil
(DHN, 2008). Localização dos fundeios (P1, P3, P5, P6, P8 e P9) e áreas de interesse
(áreas 1, 2 e 3). As coletas de GIBBS e KONWAR (1985) foram realizadas na área 3 e o
ponto de medição de BERHANE et al., (1997) em P9 (RMo segundo nomenclatura do
AMASSEDS)......................................................................................................................3
Figura 2. Perfis de concentração de sedimentos em suspensão coletados em fundeios
localizados ao longo do canal de navegação no estuário do Rio Amazonas, indicados na
Figura 1 (Modificada de VILELA, 2011). ............................................................................4
Figura 3. Diagrama conceitual com tamanho dos flocos, concentração e taxa de
cisalhamento (DYER, 1989)...............................................................................................8
Figura 4. Instrumentação utilizada nas campanhas de campo. À esquerda, está mostrada
a configuração da gaiola utilizada na campanha de 2008. À direita, está mostrado o
perfilador acústico de efeito doppler (ADCP), no painel superior, e o amostrador de
sedimentos utilizado para coleta de material do leito, no painel inferior. ..........................18
Figura 5. Localização temporal das campanhas de campo analisadas em função da
vazão fluvial (curva em preto) e da curva qualitativa teórica de variação anual de
concentrações vindas do rio (curva em vermelho). Essa curva foi construída a partir de
amostras coletadas em Óbidos durante o projeto HYBAM (LE GUENNEC, comunicação
pessoal). ..........................................................................................................................19
Figura 6. Localização temporal dos fundeios para as campanhas de 2006 (painel
superior) e 2008 (painel inferior). A curva em preto corresponde à maré prevista para a
estação de Ponta do Céu. ...............................................................................................20
Figura 7. Variação vertical e temporal das velocidades médias (positiva vazante e
negativa enchente) no fundeio P1. O painel superior corresponde às velocidades medidas
em 2006 e o inferior em 2008. Os pontos pretos se referem aos horários de lançamento
da gaiola. A maré está representada pela curva em superfície e são indicadas as estofas
(PM – estofa de preamar e BM – estofa de baixa-mar). ...................................................24
Figura 8. Variação vertical e temporal das velocidades médias (positiva vazante e
negativa enchente) no fundeio P3. O painel superior corresponde às velocidades medidas
em 2006 e o inferior em 2008. Os pontos pretos se referem aos horários de lançamento
da gaiola. A maré está representada pela curva em superfície e são indicadas as estofas
(PM – estofa de preamar e BM – estofa de baixa-mar). ...................................................25
Figura 9. Variação vertical e temporal das velocidades médias (positiva vazante e
negativa enchente) no fundeio P5. O painel superior corresponde às velocidades medidas
em 2006 e o inferior em 2008. Os pontos pretos se referem aos horários de lançamento
da gaiola. A maré está representada pela curva em superfície e são indicadas as estofas
(PM – estofa de preamar e BM – estofa de baixa-mar). ...................................................26
Figura 10. Variação vertical e temporal das velocidades médias (positiva vazante e
negativa enchente) no fundeio P6. O painel superior corresponde às velocidades medidas
em 2006 e o inferior em 2008. Os pontos pretos se referem aos horários de lançamento
da gaiola. A maré está representada pela curva em superfície e são indicadas as estofas
(PM – estofa de preamar e BM – estofa de baixa-mar). ...................................................27
Figura 11. A variabilidade de assimetria no estuário através da relação de fase
2 gM 2 − gM 4 . A posição dos fundeios P1 (ponto preto), P3 (azul), P5 (verde) e P6
(magenta) foram destacadas. Modificado de GALLO e VINZÓN (2005). .........................28
Figura 12. Exemplo de perfis verticais de velocidades médias horárias no fundeio P5 para
a campanha de 2006. Velocidades negativas estão relacionadas à enchente e positivas à
vazante. ...........................................................................................................................30
Figura 13. Comparação dos ajustes nos quatro instantes característicos de maré para o
fundeio P1. O painel superior corresponde aos ajustes realizados para os dados
coletados em 2006 e o inferior em 2008. Os círculos correspondem às velocidades
medidas pelo ADCP e as retas às velocidades ajustadas ao perfil logarítmico. ...............32
ix
Figura 14. Comparação dos ajustes nos quatro instantes característicos de maré para o
fundeio P3. O painel superior corresponde aos ajustes realizados para os dados
coletados em 2006 e o inferior em 2008. Os círculos correspondem às velocidades
medidas pelo ADCP e as retas às velocidades ajustadas ao perfil logarítmico. ...............33
Figura 15. Comparação dos ajustes nos quatro instantes característicos de maré para o
fundeio P5. O painel superior corresponde aos ajustes realizados para os dados
coletados em 2006 e o inferior em 2008. Os círculos correspondem às velocidades
medidas pelo ADCP e as retas às velocidades ajustadas ao perfil logarítmico. ...............34
Figura 16. Comparação dos ajustes nos quatro instantes característicos de maré para o
fundeio P6. O painel superior corresponde aos ajustes realizados para os dados
coletados em 2006 e o inferior em 2008. Os círculos correspondem às velocidades
medidas pelo ADCP e as retas às velocidades ajustadas ao perfil logarítmico. O pobre
ajuste do perfil de velocidades medido a um perfil logarítmico para P6 está relacionado à
influência da estratificação salina, maior em 2006, gerando desvios na forma logarítmica
do perfil de velocidades. ..................................................................................................35
Figura 17. Variação temporal da taxa de cisalhamento (G) nos fundeios P1 (painel
superior), P3 (painel central) e P5 (painel inferior). As linhas correspondem às
velocidades médias na vertical. A cor azul refere-se aos dados medidos em 2006 e a cor
verde aos dados medidos em 2008. Os círculos cheios relacionam-se à estimativa de G
no fundo e os vazados na superfície. Para melhor comparação entre as duas campanhas,
escolheu-se a estofa de enchente (high water slack) como referência temporal (tempo
zero). As velocidades de enchente estão relacionadas aos tempos negativos e as de
vazante aos tempos positivos. .........................................................................................39
Figura 18. Variação longitudinal da taxa de cisalhamento (G) no estuário do Rio
Amazonas. Os círculos correspondem à enchente (E), os triângulos à vazante (V) e os
losangos à estofas. A cor azul refere-se aos dados coletados em 2006 e a verde em
2008. ...............................................................................................................................40
Figura 19. Curva de calibração utilizada na conversão dos dados de turbidez (NTU) em
concentração de sedimentos em suspensão (g/l) para os dois turbidímetros utilizados. ..42
Figura 20. Comparação entre concentração de sedimentos em suspensão. O eixo
horizontal refere-se às concentrações medidas pelo OBS, convertida para g/l usando a
curva de calibração. No eixo vertical estão as concentrações obtidas pela filtragem das
amostras de água coletadas em campo...........................................................................43
Figura 21. Variação longitudinal das concentrações ao longo do estuário. O painel da
esquerda corresponde aos dados coletados na campanha de 2006 e os da direita em
2008. As profundidades estão referidas à superfície. A máxima concentração em
superfície no fundeio P1 é 0.037 em 2006 e 0.030 g/l em 2008. ......................................44
Figura 22. Exemplos das principais formas dos perfis típicos de concentração de
sedimentos em suspensão (LIU et al., 2014). ..................................................................45
Figura 23. Variação vertical e temporal das concentrações de sedimentos em suspensão
no fundeio P1. O painel superior corresponde às concentrações medidas pelo OBS em
2006 e o inferior em 2008. Os pontos azuis se referem aos horários de lançamento da
gaiola e os negros às concentrações obtidas com a filtragem das amostras de água. A
maré está representada pela curva em superfície e são indicadas as estofas (PM e BM).
........................................................................................................................................48
Figura 24. Variação vertical e temporal das concentrações de sedimentos em suspensão
no fundeio P3. O painel superior corresponde às concentrações medidas pelo OBS em
2006 e o inferior em 2008. Os pontos azuis se referem aos horários de lançamento da
gaiola e os negros às concentrações obtidas com a filtragem das amostras de água. A
maré está representada pela curva em superfície e são indicadas as estofas (PM e BM).
........................................................................................................................................49
Figura 25. Variação vertical e temporal das concentrações de sedimentos em suspensão
no fundeio P5. O painel superior corresponde às concentrações medidas pelo OBS em
2006 e o inferior em 2008. Os pontos azuis se referem aos horários de lançamento da
gaiola e os negros às concentrações obtidas com a filtragem das amostras de água. A
x
maré está representada pela curva em superfície e são indicadas as estofas (PM e BM).
........................................................................................................................................50
Figura 26. Variação vertical e temporal das concentrações de sedimentos em suspensão
no fundeio P6. O painel superior corresponde às concentrações medidas pelo OBS em
2006 e o inferior em 2008. Os pontos azuis se referem aos horários de lançamento da
gaiola e os negros às concentrações obtidas com a filtragem das amostras de água. A
maré está representada pela curva em superfície e são indicadas as estofas (PM e BM).
........................................................................................................................................51
Figura 27. Perfis verticais adimensionais de sedimentos em suspensão (perfis de Rouse)
para vários valores do parâmetro de Rouse (n) igual a
ws
κu* . .......................................53
Figura 28. Perfis de Rouse ajustados aos perfis de C medidos para os fundeios P1, P3 e
P5. A curva azul e laranja correspondem aos perfis representativos da vazante e a curva
verde e marrom aos perfis representativos da enchente..................................................56
Figura 29. Caracterização granulométrica das amostras de fundo coletadas ao longo do
canal de navegação no estuário do Rio Amazonas. Em verde, vermelho e azul estão
representados, percentualmente, o teor de areia, silte a argila respectivamente. ............59
Figura 30. Curva acumulada de tamanho dos grãos das amostras do fundo (curva
vermelha) e em suspensão (curvas azul e verde). As curvas em azul correspondem às
amostras de sedimentos em suspensão coletadas próximas ao fundo, já às curvas em
verde, foram coletadas em superfície e meia profundidade. ............................................63
Figura 31. Exemplo teórico de um histograma de tamanhos medido in situ para uma
amostra unimodal (mistura de silte e areia) e uma amostra bimodal (com a presença de
floculação). ......................................................................................................................65
Figura 32. Variação na vertical dos tamanhos dos sedimentos em suspensão no fundeio
P1. Os tamanhos medidos in situ são separados em frações finas e grossas, mostrados
nos painéis do lado esquerdo e direito respectivamente. Os painéis superiores
correspondem aos tamanhos em 2006 e os inferiores em 2008. Os círculos azuis
referem-se aos dados coletados na enchente e em verde na vazante. Os pontos
vermelhos se referem aos tamanhos das partículas dispersas representados pelo d50
para a fração fina e d90 para a fração grossa. ..................................................................70
Figura 33. Variação na vertical dos tamanhos dos sedimentos em suspensão no fundeio
P3. Os tamanhos medidos in situ são separados em frações finas e grossas, mostrados
nos painéis do lado esquerdo e direito respectivamente. Os painéis superiores
correspondem aos tamanhos em 2006 e os inferiores em 2008. Os círculos azuis
referem-se aos dados coletados na enchente e em verde na vazante. Os pontos
vermelhos se referem aos tamanhos das partículas dispersas representados pelo d50
para a fração fina e d90 para a fração grossa. ..................................................................71
Figura 34. Variação na vertical dos tamanhos dos sedimentos em suspensão no fundeio
P5. Os tamanhos medidos in situ são separados em frações finas e grossas, mostrados
nos painéis do lado esquerdo e direito respectivamente. Os painéis superiores
correspondem aos tamanhos em 2006 e os inferiores em 2008. Os círculos azuis
referem-se aos dados coletados na enchente e em verde na vazante. Os pontos
vermelhos se referem aos tamanhos das partículas dispersas representados pelo d50
para a fração fina e d90 para a fração grossa. ..................................................................72
Figura 35. Variação na vertical dos tamanhos dos sedimentos em suspensão no fundeio
P6. Os tamanhos medidos in situ são separados em frações finas e grossas, mostrados
nos painéis do lado esquerdo e direito respectivamente. Os painéis superiores
correspondem aos tamanhos em 2006 e os inferiores em 2008. Os círculos azuis
referem-se aos dados coletados na enchente e em verde na vazante. Os pontos
vermelhos se referem aos tamanhos das partículas dispersas representados pelo d50
para a fração fina e d90 para a fração grossa. ..................................................................73
xi
Figura 36. Variação do tamanho dos flocos ao longo do ciclo de maré para o fundeio P5
em 2006 (painel superior) e 2008 (painel inferior). A maré está representada pela curva
em superfície e são indicadas as estofas (PM e BM). ......................................................74
Figura 37. Arranjo experimental utilizado composto por um circuito fechado para
recirculação da amostra (setas em vermelho) pelo dispositivo de medição. ....................79
Figura 38. Curva de calibração para o Jar test. A linha preta corresponde a curva
fornecida pelo fabricante em seu manual de instruções. A curva cinza foi construída a
partir da metodologia de NAGATA (1975) considerando a jarra com 1 litro de suspensão.
........................................................................................................................................83
Figura 39. Jar test utilizado nos experimentos com UVP. ................................................84
Figura 40. Malha amostral utilizada nas medições com UVP. O painel superior mostra a
posição da pá em fase 0 e corresponde aos 24 pontos utilizados para determinação das
componentes horizontais de velocidades e o painel inferior aos 9 pontos utilizados para
determinação das componentes verticais de velocidades. ...............................................85
Figura 41. Distribuição da taxa de cisalhamento (G) no interior das jarras de mistura para
velocidade de rotação da pá igual a 30 rpm. Os eixos indicam a dimensão horizontal (12
cm) e vertical (7.5 cm) da jarra. Fases da volta média ( 0,
π
2
,πe
3π
) em sentido horário.
2
A posição da pá para cada fase da volta média está representada nas figuras pelas linhas
pretas. .............................................................................................................................88
Figura 42. Distribuição da taxa de cisalhamento (G) no interior das jarras de mistura para
velocidade de rotação da pá igual a 60 rpm. Os eixos indicam a dimensão horizontal (12
cm) e vertical (7.5 cm) da jarra. Fases da volta média ( 0,
π
2
,πe
3π
) em sentido horário.
2
A posição da pá para cada fase da volta média está representada nas figuras pelas linhas
pretas. .............................................................................................................................89
Figura 43. Distribuição da taxa de cisalhamento (G) no interior das jarras de mistura para
velocidade de rotação da pá igual a 120 rpm. Os eixos indicam a dimensão horizontal (12
cm) e vertical (7.5 cm) da jarra. Fases da volta média ( 0,
π
2
,πe
3π
) em sentido horário.
2
A posição da pá para cada fase da volta média está representada nas figuras pelas linhas
pretas. .............................................................................................................................90
Figura 44. Condição inicial da suspensão em função da concentração para os
experimentos de floculação realizados. A escala de cores utilizada é função da
concentração de sedimentos da suspensão e está mostrada na legenda........................92
Figura 45. Distribuição de tamanho para avaliar a natureza das amostras utilizadas nos
ensaios de floculação. .....................................................................................................93
Figura 46. Distribuição volumétrica de tamanhos ao final de 7 horas de experimento para
diferentes formas da jarra (G = 52 s-1). ............................................................................94
Figura 47. Evolução temporal do d90 da suspensão para diferentes formas de jarra. .......95
Figura 48. Distribuição volumétrica de tamanhos para diferentes métodos de dispersão. A
curva preta corresponde aos tamanhos na dispersão na UD do Malvern e a curva
vermelha à dispersão na jarra de mistura. .......................................................................96
Figura 49. Distribuição de tamanhos para diferentes velocidades de rotações (25, 35 e 45
rpm) da bomba peristáltica...............................................................................................97
Figura 50. Exemplo da evolução temporal do histograma volumétrico para uma
suspensão de 0.2 g/l submetida a um cisalhamento de 52 s-1 por 7 horas. As setas
indicam a tendência de diminuição das partículas primárias associada ao crescimento
dos flocos. .....................................................................................................................100
Figura 51. Variação do de em função da taxa de cisalhamento (G) para todos os
experimentos. A linha tracejada preta corresponde à microescala de Kolmogorov. O
comportamento da variação de tamanho para 0.2 e 0.5 g/l está representado pelas
curvas marrom e magenta, respectivamente. A faixa de G destacada limita o ponto a
xii
partir do qual se observa mudança de comportamento da variação de tamanho em
função da taxa de cisalhamento. ...................................................................................101
Figura 52. Variação da obscuração em função da taxa de cisalhamento (G) para uma
concentração (0.2 g/l). Em azul as obscurações relacionadas à suspensão desagregada
e em preto a suspensão já floculada..............................................................................102
Figura 53. Histogramas volumétricos da suspensão em função da taxa de cisalhamento
para concentrações de 0.05 (A), 0.2 (B) e 0.5 (C) g/l. ....................................................106
Figura 54. Evolução temporal do tamanho dos flocos para diferentes taxas de
cisalhamento. O painel superior corresponde à suspensão com 0.2 g/l (A) e o inferior com
0.5 g/l (B). Na taxa de 19 s-1 não foi atingido o equilíbrio, devido a sedimentação do
material no fundo da jarra durante o ensaio. ..................................................................107
Figura 55. Variação do te em função da taxa de cisalhamento (G) para 0.2 (pontos em
marrom) e 0.5 (pontos em magenta) g/l. A linha azul mostra a tendência geral de
diminuição do tempo de equilíbrio com o incremento do G. ...........................................108
Figura 56. Variação no histograma volumétrico em função da concentração para taxas de
cisalhamento de 46 (A) e 79 s-1 (B). ...............................................................................110
Figura 57. Evolução temporal do tamanho dos flocos para diferentes concentrações de
sedimentos em suspensão. O painel superior corresponde a uma taxa de cisalhamento
de 46 s-1 (A) e o painel inferior a 79 s-1 (B). ....................................................................111
Figura 58. Condições hidrodinâmicas simuladas nos experimentos em desequilíbrio. Os
períodos em que foram realizadas medições de tamanho dos flocos estão destacados em
vermelho: sem condição inicial (CI0) e após dois ciclos de maré (CI 2C). .....................113
Figura 59. Variação temporal do tamanho dos flocos, para diferentes cisalhamentos e
concentrações, para um experimento sem influência da condição inicial. ......................114
Figura 60. Variação temporal do tamanho dos flocos, para diferentes taxas de
cisalhamento e concentrações, para um experimento com influência da condição inicial.
......................................................................................................................................116
Figura 61. Sedimentação do material observada nos experimentos de simulação da
floculação ao longo do ciclo de maré em jarras de mistura. ...........................................117
Figura 62. Exemplo dos histogramas volumétricos representativos de um instante de
estofa (hora 5.67) e máxima velocidade das correntes (hora 4.33) para o experimento
com influência da condição inicial, ou seja, após 2 ciclos de maré. ...............................117
Figura 63. Estimativa dos coeficientes de agregação (ka) e quebra (kb) segundo modelo
de WINTERWERP (1998) aplicados à região de estudo. Os ajustes foram realizados para
três faixas de concentração (0.05 a 0.1 g/l, 0.2 a 0.3 g/l e 0.5 g/l)..................................120
Figura 64. Esquema mostrando o papel da floculação na formação da Zona de Máxima
Turbidez (ZMT), destacando o trecho analisado. ...........................................................123
xiii
ÍNDICE DE TABELAS
Tabela 1. Resumo dos fatores que regem a distribuição de tamanho de partículas na
coluna d’água (modificado de FUGATE e FRIEDRICHS, 2003). ................................ 13
Tabela 2. Resumo das condições hidrodinâmicas observadas nas campanhas de
campo. Os fundeios P1 e P3 estão localizados antes da foz do rio a uma distância de
60 e 24 km, respectivamente. Já os fundeios P5 e P6 localizam-se a 12 e 30 km após
a foz do rio, respectivamente. ..................................................................................... 21
Tabela 3: Estimativas de u* (m/s) e z0 para os instantes característicos de maré. .... 36
Tabela 4: Estimativas de G médio para os instantes característicos de maré. ............ 37
Tabela 5. Velocidade de queda (ws) e diâmetros (d) estimados com a equação de
Stokes. ....................................................................................................................... 57
Tabela 6. Diâmetro mediano (d50) dos sedimentos de fundo coletados ao longo do
canal de navegação na foz do Rio Amazonas segundo escala Wenworth. ................. 59
Tabela 7. Composição média, desvio padrão e diâmetros característicos (d50 e d90) das
amostras de sedimentos em suspensão analisadas. .................................................. 61
Tabela 8. Variações dos parâmetros globais (calculado segundo Nagata, 1975) e
locais (medidos) obtidos nos experimentos. ............................................................... 87
Tabela 9. Magnitudes dos parâmetros utilizados nos experimentos de laboratório. .... 91
Tabela 10. Resumo das diferenças percentuais nos diâmetros característicos para os
testes preliminares realizados..................................................................................... 97
Tabela 11. Resumo das variáveis utilizadas (G e C) e resultados obtidos (de e te) nos
experimentos em equilíbrio. Com x são indicados os ensaios em que não foi atingido o
equilíbrio. .................................................................................................................... 98
xiv
1
INTRODUÇÃO
A formação de depósitos lamosos e a localização de áreas de deposição de
sedimentos finos em estuários e zonas costeiras estão associadas a diversos
mecanismos de acumulação. SHI (2010) destaca a importância da assimetria da maré
como um dos mecanismos mais importantes para o transporte de sedimentos finos.
JAY e MUSIAK (1994), BUCHARD e BAUMERT (1998) e GEYER (1993) consideram
além das assimetrias da maré, a geomorfologia da costa, a batimetria e a circulação
residual gravitacional como os principais fatores.
O transporte de partículas finas em estuários é governado pelas correntes de maré,
vazão fluvial, ondas, batimetria, gradientes de salinidade e características inerentes ao
material particulado em suspensão (VERNEY et al., 2009). Este transporte é definido
por um ciclo bem conhecido: suspensão, floculação, sedimentação, deposição, erosão
e ressuspensão (EISMA, 1993). Neste ciclo, a floculação controla o tamanho, a
estrutura e a densidade das partículas e agregados (GIBBS, 1985; VAN LEUSSEN,
1994), determinando sua capacidade de permanecer em suspensão ou depositar-se
(MANNING et al., 2006).
A floculação de sedimentos finos é um processo dinâmico e variável no tempo, que
depende das taxas de agregação e quebra das partículas (WINTERWERP, 1998).
Dentre os fatores que determinam a agregação em estuários destaca-se a
concentração de sedimentos em suspensão, o cisalhamento turbulento na coluna
d’água e as características das partículas e o meio, como a salinidade, o pH,
composição mineralógica, entre outros (EISMA et al. 1991 apud FUGATE e
FRIEDRICHS, 2003). A importância relativa de cada um destes fatores na agregação
dos sedimentos é função dos processos físicos e biológicos, variáveis no tempo e no
espaço, atuantes nos estuários.
Diversos estudos de floculação em ambientes estuarinos, encontrados na literatura,
avaliam as variações temporais do tamanho dos flocos, ao longo do ciclo da maré, e
espaciais, ao longo do estuário. (VAN DER LEE, 2000; FUGATE e FRIEDRICHS,
2003; TRAYKOVSKI et al., 2004; MANNING et al., 2006; BERHANE et al., 1997;
MANNING et al., 2007; BARTHOLOMÄ et al., 2009; UNCLES et al., 2010; MANNING
e SCHOELLHAMER, 2013; PAPENMEIER et al., 2014). FUGATE e FRIEDRICHS
(2003), MANNING et al. (2007), BARTHOLOMÄ et al.(2009) e PAPENMEIER et al.
1
(2014), observaram maiores flocos relacionados aos períodos de menor turbulência,
ou seja, instantes coincidentes com as estofas de maré. Porém, TRAYKOVSKI et al.
(2004),
MANNING
et
al.
(2006),
UNCLES
et
al.
(2010),
MANNING
e
SCHOELLHAMER (2013) observaram relação direta entre a turbulência e o tamanho
dos flocos, com maiores flocos associados às máximas velocidades das correntes.
Pela teoria da agregação, a concentração de sedimentos em suspensão estaria
relacionada ao tamanho dos agregados, através da sua influência na frequência de
colisão entre as partículas (DYER, 1989; VAN LEUSSEN, 1994). Porém a influência
da concentração de sedimentos em suspensão (C) no tamanho dos flocos também
não é clara e tem sido objeto de controvérsias (BERHANE et al., 1997; TEN BRINKE,
1994; CHEN et al., 1994). BERHANE et al. (1997); VAN DER LEE (2000), MANNING
et al. (2006) e UNCLES et al. (2010) a partir de medições in situ identificaram relação
direta entre a concentração de sedimentos e o tamanho dos flocos. A partir de
experimentos com floculadores do tipo disco e Couette TRENTO (2005) também
observou aumento do tamanho dos flocos com o aumento das concentrações de
sedimentos. Por outro lado, outros autores ainda com base em estudos experimentais,
observaram relação inversa entre o diâmetro de equilíbrio dos flocos e a concentração
de sedimentos em suspensão (TSAI et al., 1987 apud TRENTO, 2005; LICK e LICK,
1988 apud TRENTO, 2005; SERRA e CASAMITJANA, 1998; MANNING e DYER,
1999; SERRA et al. 2008). MANNING e DYER (1999) partindo de experimentos em
um canal anular observaram relação direta entre o tamanho dos flocos e a
concentração para tensões inferiores a 0.35 N/m2, e relação inversa para tensões
superiores a esta.
O depósito lamoso identificado na plataforma continental amazônica durante o Projeto
AMASSEDS 1 (KINEKE e STERNBERG, 1995; KINEKE et al., 1996) é importante para
a navegação ao longo do Canal Norte, principal via de acesso ao Rio Amazonas
(Figura 1). Essa região é um ambiente dinâmico, com regime de meso e macromarés
(GALLO e VINZÓN, 2005) e variações totais de nível entre 3 e 5 metros (área 1,
Figura 1), com presença de bancos de areia migratórios na região da foz (área 2,
FERNANDES, 2010). Do total de sedimentos finos em suspensão transportados pelo
rio (0.6-1.2 x 109 t/ano, MILLIMAN e MEADE, 1983), aproximadamente 50% (0.65 x
109 t/ano, KUEHL et al., 1986) deposita-se em forma camadas de lama que cobrem
grande parte da plataforma continental (FAAS, 1985; KINEKE et al., 1996).
1
Projeto AmasSeds - Amazon Shelf Sediment Study Project, sigla em inglês.
2
Figura 1. Carta Náutica Digital N° 200 da Diretoria de Hidrografia e Navegação do
Brasil (DHN, 2008). Localização dos fundeios (P1, P3, P5, P6, P8 e P9) e áreas de
interesse (áreas 1, 2 e 3). As coletas de GIBBS e KONWAR (1985) foram realizadas
na área 3 e o ponto de medição de BERHANE et al., (1997) em P9 (RMo segundo
nomenclatura do AMASSEDS).
Das observações de tamanho de flocos in situ realizadas na plataforma continental
Amazônica, destacam-se os trabalhos de GIBBS e KONWAR (1985) e BERHANE et
al. (1997), cujas coletas de dados foram realizadas na região mais ao largo (Figura 1).
GIBBS e KONWAR (1986) a partir de fotografias de amostras coletadas em superfície
detectaram diâmetros médios dos flocos superiores a 100 e 60 µm em superfície e
fundo, respectivamente. BERHANE et al. (1997), durante o AMASSEDS, empregando
sistema de câmera fotográfica submersa, detectaram flocos variando entre 125 µm e 2
mm. Os trabalhos mencionados se constituem nas duas únicas referências que tratam
de tamanho de partículas em suspensão no estuário do Rio Amazonas, e esses
estudos foram realizados numa região sob a influência da frente salina.
3
No âmbito do Projeto Barra Norte2 foram realizadas campanhas de campo ao longo do
transect que vai desde a foz (estação P1) até a plataforma continental, cobrindo a
interface de água doce e passando pela frente salina. Os dados coletados consistiram
em turbidez, correntes, salinidade, amostras pontuais de sedimentos em suspensão,
amostras de material do fundo e tamanho in situ dos sedimentos em suspensão. A
análise dos dados indicou um aumento das concentrações de sedimentos em
suspensão (Figura 2) e a presença da floculação antes da influência da frente salina
(FREIRE et al., 2010). Porém a interpretação das informações coletadas de forma
euleriana se mostra complexa devido à variabilidade, tanto temporal quanto espacial,
decorrente dos processos inerentes à floculação e efeitos advectivos, seja horizontal
ou vertical (ressuspensão).
Área 2
Área 3
Figura 2. Perfis de concentração de sedimentos em suspensão coletados em fundeios
localizados ao longo do canal de navegação no estuário do Rio Amazonas, indicados
na Figura 1 (Modificada de VILELA, 2011).
Para investigar o papel da floculação para a formação do depósito, ainda no trecho
que antecede a frente salina, nesta tese é levantada a seguinte questão: qual seria a
contribuição da turbulência e concentração de sedimentos em suspensão para o
processo da floculação neste trecho?
Em função das dificuldades relacionadas à interpretação de dados de tamanho de
sedimentos em suspensão coletados in situ esta tese propõe uma metodologia que
utiliza experimentos de laboratório para auxiliar tais análises.
2
Projeto Barra Norte - CT-AQUA/FINEP (UFRJ em colaboração com a Marinha do Brasil)
4
2
OBJETIVOS
Contribuir para o entendimento do processo de floculação na foz do Rio Amazonas, no
trecho que antecede a frente salina, e dos fatores determinantes do tamanho dos
flocos.
Os seguintes objetivos específicos são propostos:
•
Analisar os dados coletados in situ, investigando a relação entre os processos
físicos (tensões de cisalhamento e concentrações) e o processo de floculação;
•
Caracterizar, a partir de dados de campo a distribuição temporal (ao longo do
ciclo de maré), e espacial (vertical e ao longo do canal) dos tamanhos de sedimentos
em suspensão;
•
Avaliar a influência dos processos físicos (tensões de cisalhamento e
concentrações) na dinâmica dos flocos em experimentos de floculação em laboratório,
em condições controladas;
Após uma revisão da literatura sobre floculação em ambientes estuarinos (capítulo 2),
são apresentados as metodologias, os resultados e a discussão dos mesmos sobre a
caracterização do material em suspensão in situ (capítulo 3) e experimentos de
laboratório (capítulo 4). No capítulo 5 é apresentada uma discussão integrando as
análises dos dados de campo e dos experimentos realizados em laboratório,
apresentando as principais conclusões do trabalho.
5
3
3.1
DINÂMICA DA FLOCULAÇÃO EM AMBIENTES ESTUARINOS – ESTADO DA
ARTE
Cinética da floculação
A mecânica de agregação e desagregação de partículas coesivas ocorre basicamente
por colisões entre partículas bem como pela turbulência do escoamento (LICK e LICK,
1988). Dentre os mecanismos que regem as colisões entre partículas estão:
movimento Browniano, tensões cisalhantes das correntes e sedimentação diferencial
(DYER, 1989).
A taxa de crescimento dos flocos e o tamanho que eles atingem depende, das
condições hidrodinâmicas (caracterizadas pela taxa de cisalhamento, G), do tempo de
residência, das propriedades dos sedimentos (caracterizadas pela concentração da
suspensão, C) e das propriedades do meio (pH, salinidade e compostos orgânicos)
(FUGATE e FRIEDRICHS, 2003; MIETTA et al., 2009; MIETTA, 2010).
3.1.1 Breve revisão dos conceitos de turbulência associados à floculação
A turbulência promove a agregação das partículas através da difusão turbulenta e
induz tensões normais e cisalhantes, que podem romper os flocos quando estas
excedem a resistência dos mesmos (VAN LEUSSEN, 1994). Esses processos, nas
pequenas escalas de turbulência, escalas da mesma ordem da microescala de
Kolmogorov (η) (LEVICH, 1962), podem ser descritos pela taxa de cisalhamento,
também conhecida como gradiente efetivo de velocidade ou parâmetro de dissipação,
G.
Nas pequenas escalas, as flutuações das velocidades são dissipadas pela
viscosidade. A escala de comprimento (η) e velocidade (υ) para a microescala de
Kolmogorov é definida através da relação entre a viscosidade cinemática (ν em m2s-1)
e a dissipação de energia (ε em m2s-3):
1
1
ν 3  4
η =   ; υ = (νε ) 4
ε 
(1)
Os maiores vórtices não têm um papel importante na floculação, porque nestas
escalas, as partículas de sedimentos são transportadas pelo escoamento e não há
transporte relativo entre estas partículas ou a geração de tensões cisalhantes
6
(MIETTA, 2010). Especificamente para o estudo da floculação de sedimentos finos, a
relação entre o tamanho dos flocos ( d f ) e o tamanho dos vórtices que dissipam
energia é importante, já que o tamanho destes vórtices limitaria o tamanho máximo
que os flocos podem atingir (VAN LEUSSEN, 1994). Quando η < d f < λ (subintervalo
inercial), observa-se a dominância dos efeitos inerciais, e os diâmetros dos flocos
passam a estar sujeitos à quebra quando expostos às flutuações das velocidades
turbulentas. Quando d f <η < λ , os efeitos viscosos dominam.
Nas pequenas escalas (escalas de tamanho dos flocos), a turbulência influencia a
floculação induzindo colisões que resultam em agregação entre partículas. Segundo
HUNT (1980) apud MIETTA (2010), as colisões entre partículas em ambientes
estuarinos se deve principalmente à difusão turbulenta. A turbulência gera ainda
tensões normais e cisalhantes (por diferenças de pressões e velocidades) que,
quando excedem à resistência dos flocos, ocasionam quebra dos mesmos. Tanto os
movimentos turbulentos quanto as tensões cisalhantes podem ser quantificados
através da taxa de cisalhamento, G (s-1) (WINTERWERP, 1998). A taxa de
cisalhamento relaciona-se com a dissipação viscosa de energia cinética turbulenta (ε),
com a microescala de Kolmogorov (η) e a viscosidade cinemática (ν) por:
G=
ε ν
=
ν η2
(2)
3.1.2 Taxa de cisalhamento (G)
A influência da taxa de cisalhamento na variação do tamanho dos flocos foi
investigada experimentalmente por muitos autores. A curva de variação do tamanho
dos flocos no equilíbrio, em função da turbulência, apresentaria um comportamento
gaussiano, composta por uma parte ascendente, correspondente a baixas taxas de
cisalhamento e uma parte descendente, correspondente a altas taxas de
cisalhamento, conforme mostrado no Diagrama de DYER (1989), Figura 3.
Este diagrama retrata a influência da turbulência e da concentração de sedimentos em
suspensão na variação do tamanho de equilíbrio dos flocos. A turbulência age de
maneira distinta em função da magnitude da taxa de cisalhamento. Em baixos níveis
de turbulência, se observa uma relação direta da taxa de cisalhamento com o tamanho
7
dos flocos, resultado do aumento da frequência de colisão entre as partículas que
culminam em agregação. Com o aumento da taxa de cisalhamento, a relação passa
ser inversa, e a turbulência passa a limitar o tamanho máximo que os flocos podem
atingir através da desagregação dos flocos (VAN LEUSSEN, 1994; BERHANE et al.,
1997). O aumento da frequência de colisão, associado ao aumento da taxa de
cisalhamento sobre as partículas, determina o tamanho de equilíbrio dos flocos para
uma dada concentração e nível de turbulência (CHEN et al., 1994). Os processos de
agregação e quebra dos flocos são importantes no meio da coluna d’água e próximo
ao fundo onde as concentrações de sedimentos em suspensão e a taxa de
cisalhamento são mais significantes.
COLOMER et al. (2005) e SERRA et al. (2008), afirmam que em baixas taxas de
cisalhamento, o processo de floculação teria dominância da agregação, com a difusão
turbulenta promovendo a colisão entre partículas. WINTERWERP (1998), por outro
lado, afirma que, a diminuição de tamanho para baixas taxas de cisalhamento, estaria
associada à sedimentação das partículas, fator limitante do tempo de residência das
mesmas no campo turbulento. Já na parte descendente da curva, a diminuição no
tamanho dos flocos com o aumento do G, estaria relacionada à predominância da
quebra frente à agregação (SERRA et al., 1997).
de
C
G
Figura 3. Diagrama conceitual com tamanho dos flocos, concentração e taxa de
cisalhamento (DYER, 1989).
3.1.3 Concentração de sedimentos em suspensão (C)
8
A concentração de sedimentos em suspensão, por si só, pode estar relacionada ao
tamanho dos agregados através do seu efeito na frequência de colisão entre as
partículas (DYER, 1989; VAN LEUSSEN, 1994). Conforme a teoria da agregação, uma
maior concentração produziria maiores flocos (TRENTO, 2005). Ou seja, nas elevadas
concentrações, o maior número de partículas em suspensão intensifica a frequência
de colisão e favorece assim, o crescimento do agregado.
Segundo alguns autores (BERHANE et al., 1997; TEN BRINKE, 1994; CHEN et al.,
1994) o efeito da concentração de sedimentos em suspensão no tamanho das
partículas não é muito claro e tem sido objeto de controvérsias. TRENTO (2005), a
partir de experimentos com floculadores (tipo disco e Couette) demonstrou que,
conforme previsto pela teoria da agregação, o tamanho dos flocos aumenta com o
aumento das concentrações. VAN DER LEE (2000) a partir de técnicas de medição in
situ (com câmera de vídeo submersa) no estuário Dollard, verificou relação direta entre
o tamanho dos flocos e a C durante um ciclo de maré. Um aumento na C ocasionaria
uma maior frequência de colisão dos flocos na coluna d’água, favorecendo o
crescimento dos mesmos. Outra possibilidade seria que os maiores flocos fossem
ressuspensos do fundo nos períodos de erosão. Esta ideia está em concordância com
as observações de GEYER (1993), onde as máximas concentrações de sedimentos
em suspensão coincidiram com a ressuspensão de sedimentos do leito durante as
máximas velocidades de correntes.
Alguns autores, com base em estudos experimentais, apontam ainda para uma
relação inversa entre o diâmetro de equilíbrio e a C, com o diâmetro de equilíbrio
diminuindo com o aumento da concentração. Os motivos desta diminuição podem
estar relacionados a limitações nos arranjos experimentais utilizados. SERRA et al.
(2008) aponta a hidrodinâmica e a mistura no interior de floculadores (jarras de mistura
e Couette) como principal limitante.
3.1.4 Modelo lagrangeano de floculação (WINTERWERP, 1998)
O modelo Lagrangeano desenvolvido por WINTERWERP (1998) trata da evolução
temporal do tamanho característico dos flocos em função da agregação e quebra das
partículas pela turbulência (taxa de cisalhamento). Segundo o modelo, a variação
temporal do número de flocos é computada como a soma de uma taxa de agregação e
uma taxa de quebra das partículas.
9
No equilíbrio, instante onde se observa um balanço entre a taxa de agregação e
quebra das partículas, o diâmetro dos flocos é dado por:
de = d p +
kaC
kb G
(3)
Onde ka (m2kg-1) e kb (s1/2m-2) correspondem aos parâmetros gerais de agregação e
quebra das partículas originais (dp).
O modelo prevê uma diminuição do tamanho característico com o aumento da taxa de
cisalhamento (G) e um aumento linear com o incremento das concentrações (C).
WINTERWERP et al. (2006) a partir de medições de velocidade de sedimentação no
mar Scheldt observaram relação exponencial entre o diâmetro dos flocos e a
concentração de sedimentos em suspensão.
3.1.5 Influência de outras variáveis na cinética da floculação: pH e salinidade
As argilas caracterizam-se por possuírem superfície carregada eletricamente e serem
sensíveis a variações de pH. Segundo TOMBACK e SZEKERES (2006), a cinética da
floculação pode ser estudada a partir da variação do pH do meio. MIETTA et al.
(2009), a partir de estudos experimentais com floculador do tipo jarra de mistura,
observou relação inversa entre o tamanho dos flocos e pH (este variando de 2 a 9.3),
com os flocos crescendo à medida que diminui o pH.
Apesar de numerosas evidências do aumento da floculação com a salinidade, alguns
pesquisadores têm questionado o papel desta como principal agente capaz de
acelerar os processos de floculação (THILL et al., 2001; FOX et al., 2004). Segundo
EISMA et al., (1991), a salinidade fragiliza os agregados de partículas enquanto
GIBBS et al., (1989) afirma que, para salinidade variando de 1 a 3, os efeitos desta
variação na floculação seriam importantes. TRENTO (2005) observou maiores flocos
em ambientes salinos (com salinidades variando entre 29 e 33), tanto para agregados
formados por tensões de cisalhamento como por sedimentação diferencial. GIBBS e
KONWAR (1986) apontam a salinidade, com valores inferiores a 10, como sendo
fundamental para a coagulação de partículas na plataforma continental Amazônica. Já
BERHANE et al. (1997) não observaram relação entre o tamanho dos flocos medidos
e a salinidade no estuário do Rio amazonas.
10
3.2
Dinâmica da floculação em regiões estuarinas ao longo do ciclo de maré
Em sistemas naturais, o estudo da dinâmica dos sedimentos coesivos tem como foco
principal os processos de agregação e quebra dos sedimentos em suspensão, já que
esses controlam a formação, tamanho e características estruturais dos flocos, bem
como seu destino na coluna d’água (EISMA, 1996).
As partículas primárias presentes na coluna d’água podem organizar-se em micro e
macroflocos. Os microflocos caracterizam-se por serem densos, esféricos e
resistentes à mistura turbulenta, com tamanho máximo variando entre 100 (LAFITE,
2001), 125 (EISMA, 1993) e 160 µm (MANNING e DYER, 1999), respectivamente. Em
condições favoráveis, baixas taxas de cisalhamento, por exemplo, parte desses
microflocos se agrega e forma os macroflocos (MIETTA, 2010). Os macroflocos são
caracterizados por apresentar baixa densidade, tamanhos que vão de alguns microns
até milímetros (MANNING et al., 2004), baixa resistência coesiva e serem facilmente
fragmentáveis por forças cisalhantes (KRANENBURG, 1999; JARVIS et al., 2005).
Muitos estudos têm observado e quantificado os processos de floculação com base
em medições in situ durante o ciclo de maré (FENNESSY et al., 1994; VAN DER LEE,
2000; FUGATE e FRIEDRICHS, 2003; TRAYKOVSKI et al., 2004; FETTWEIS et al.,
2006; MANNING et al., 2006; UNCLES et al., 2006; BERHANE et al., 1997; MANNING
et al., 2007; BARTHOLOMÄ et al., 2009; UNCLES et al., 2010; MANNING e
SCHOELLHAMER, 2013; PAPENMEIER et al., 2014). Grande parte desses estudos
avaliam as variações temporais, ao longo do ciclo da maré, e espaciais, ao longo do
estuário, de tamanhos dos flocos. A variabilidade tanto temporal quanto espacial,
inerente ao tamanho e estrutura dos agregados de partículas dificulta a obtenção e
análise de dados coletados in situ e corrobora para conclusões contraditórias acerca
da influência da turbulência no tamanho dos flocos. TRAYKOVSKI et al. (2004),
MANNING et al. (2006), UNCLES et al. (2010), MANNING e SCHOELLHAMER (2013)
observaram relação direta entre a turbulência e o tamanho dos flocos, com maiores
flocos associados às máximas velocidades das correntes. Por outro lado, FUGATE e
FRIEDRICHS (2003), MANNING et al. (2007), BARTHOLOMÄ et al.(2009), MANNING
e SCHOELLHAMER (2013) e PAPENMEIER et al. (2014), observaram comportamento
inverso, com maiores flocos relacionados aos períodos de menor turbulência, ou seja,
instantes coincidentes com as estofas de maré. A influência da concentração de
sedimentos sobre o tamanho dos flocos foi investigada por VAN DER LEE (2000),
11
MANNING et al. (2006), BERHANE et al. (1997) e UNCLES et al. (2010). Os autores
identificaram relação direta entre a concentração de sedimentos e o tamanho dos
flocos, relacionado ao aumento na frequência de colisão entre as partículas nas
maiores concentrações.
Dentre os trabalhos ao longo do ciclo de maré destacam-se os realizados por
FUGATE e FRIEDRICHS (2003) e UNCLES et al. (2006; 2010), cujas áreas de estudo
apresentam características semelhantes as do estuário do Rio Amazonas, no que se
refere a maré (meso e macromaré) e concentrações de sedimentos em suspensão (da
ordem de g/l).
FUGATE e FRIEDRICHS (2003) avaliaram a distribuição do tamanho dos agregados
em estuários lamosos e relacionaram sua variabilidade com os processos físicos
atuantes na coluna d’água. No estuário do rio York (USA), os autores estabeleceram
um modelo conceitual dos fatores que regem a distribuição de tamanho de partículas
na coluna d’água (Tabela 1). Com base no modelo proposto e nas medições in situ, as
seguintes conclusões acerca do tamanho das partículas foram destacadas. Em
superfície, foram identificados menores tamanhos, relacionados a eventos com escala
temporal de dias ou semanas (subtidal). A meia profundidade, a dinâmica da
agregação de partículas é consistente com o proposto nos modelos convencionais de
floculação. Já os períodos de forte cisalhamento são acompanhados pela presença de
pequenas partículas desagregadas, pontuando a relação inversa entre a intensidade
da taxa de cisalhamento e o tamanho dos flocos (estes variando entre 50 e 300 µm).
No fundo, também se verifica relação inversa do cisalhamento com o tamanho dos
flocos além de não se observar qualquer relação destes com as concentrações de
sedimentos.
UNCLES et al. (2006) realizaram estudos sobre a variabilidade espacial e temporal da
zona de máxima turbidez (concentrações superiores a 10 g/l), no estuário Humber
(Reino Unido). Os autores observaram um aumento no tamanho dos flocos de 20 µm
(rio) a 310 µm (estuário). Este aumento não estaria associado ao aumento da
salinidade, em concordância ao que foi observado por EISMA (1991), THILL et al.
(2001), FETTWEIS et al. (2006) e MANNING et al. (2007). Os maiores flocos foram
observados a meia profundidade e no período entre a estofa de preamar e início da
vazante e estariam associados à sedimentação dos maiores flocos e redução das
concentrações na superfície.
12
Tabela 1. Resumo dos fatores que regem a distribuição de tamanho de partículas na
coluna d’água (modificado de FUGATE e FRIEDRICHS, 2003).
Posição na coluna d’água
Processos
Fonte de sedimentos
Fraco cisalhamento
Superfície
Alta velocidade
Advecção horizontal
Baixas concentrações
Ressuspensão
Meia profundidade
Cisalhamento turbulento
Advecção horizontal
Sedimentação
Pequenas velocidades
Fundo
Forte cisalhamento
Ressuspensão
Elevadas concentrações
UNCLES et al. (2010) estudaram a floculação no estuário do Rio Tamar. A floculação
foi observada tanto no trecho fluvial quanto no estuarino, também sem se observar
qualquer relação com a salinidade. Os maiores flocos foram observados nos instantes
de altas concentrações, geradas pela ressuspensão de sedimentos nos picos de
correntes e, posteriormente advectados pelas correntes de maré. Os menores flocos,
da ordem de 150 µm, foram observados nas estofas.
Dentre os estudos desenvolvidos em laboratório que tratam da dinâmica da floculação
ao longo do ciclo de maré, destacam-se os trabalhos de VERNEY et al. (2011) e
KEIVANY e STROM (2014), onde os autores apontam a turbulência como principal
limitante do tamanho dos flocos. Segundo VERNEY et al. (2011), os maiores flocos
foram observados nas fases de desaceleração (da máxima de enchente para a estofa
de preamar e da máxima de vazante para a estofa de baixa-mar) e os menores flocos
coincidem com os picos de enchente e de vazante. Nas estofas, simulada com G nulo,
os autores observaram ainda sedimentação e consequentemente, a presença de
flocos de pequeno tamanho.
Por outro lado, diversos autores fazem uso de modelagem numérica em estudos de
floculação em áreas estuarinas (WINTERWERP, 2002; VERNEY et al., 2011). O
modelo lagrangeano de WINTERWERP (1998) avalia o crescimento médio dos flocos
a partir da evolução temporal do seu tamanho característico. Outros autores utilizam a
equação de balanço de populações para investigar a evolução temporal da distribuição
de tamanho dos flocos (LEE et al., 2011; VERNEY et al., 2011). Em ambos os casos,
13
os parâmetros de agregação (ka) e quebra (kb) podem ser calibrados a partir de dados
experimentais.
WINTERWERP (2002) estudou a floculação ao longo do ciclo de maré no estuário
Ems com um modelo 1DV. O tempo de floculação (tf) é definido como o tempo
necessário para que os flocos atinjam 95% do seu tamanho no equilíbrio. O tamanho
que os flocos teriam no equilíbrio é função das condições hidro-sedimentológicas
locais (G e C). O tempo de floculação varia de minutos, durante as máximas
velocidades de correntes a horas nas estofas. Segundo este autor, em baixas
concentrações (associada à baixa turbulência), as partículas de sedimentos finos não
teriam tempo suficiente (tf > 1 h) para formar maiores flocos e o tamanho dos flocos
estaria em equilíbrio com os processos do fundo. Em altas concentrações, foram
observadas variações temporais e verticais no tamanho dos flocos. Nas estofas,
instante de baixa turbulência, era de se esperar aumento do tamanho dos flocos, e
consequentemente na velocidade de sedimentação. Mas, nesses instantes, o tempo
de residência é limitado e o tamanho dos flocos estaria relacionado às condições
hidrodinâmicas locais. Nas máximas velocidades (enchente ou vazante), o tempo de
floculação em comparação ao tempo de residência é curto, permitindo que os flocos
possam atingir seu tamanho de equilíbrio.
3.3
Papel da floculação na formação do depósito lamoso
A zona de máxima turbidez estuarina localiza-se tipicamente antes da intrusão salina e
sua formação é governada pelas condições de maré e morfologia do estuário. A
interação do transporte residual, gerado por circulação gravitacional e/ou assimetria da
maré, com a sedimentação do material em suspensão e o entranhamento no fundo
durante o ciclo de maré, seriam os mecanismos responsáveis pela produção e
manutenção da ZMT (UNCLES et al., 2002; UNCLES et al., 2010).
Nos estudos de dinâmica de sedimentos coesivos em estuários, um dos parâmetros
mais importantes é a velocidade de sedimentação de finos (PEJRUP e MIKKELSEN,
2010), favorecido dentre outras coisas, pela floculação do material particulado. A
velocidade de sedimentação de uma partícula ou floco é controlada pelas forças de
gravidade (relação entre as densidades dos flocos e da água) e de arrasto (função do
tamanho e da forma dos flocos). Além de ser influenciada tanto pelo tamanho quanto
pela estrutura e densidade dos flocos (UNCLES et al., 2010), a velocidade de
sedimentação sofre influência ainda da concentração de sedimentos em suspensão
14
(WINTERWERP, 1999), taxa de cisalhamento (WINTERWERP, 1999; MANNING e
DYER, 1999) e salinidade (MIGNIOT, 1968 apud PEJRUP e MIKKELSEN, 2010). A
floculação determinaria assim, a capacidade que o estuário possui de reter sedimentos
no interior de sua ZMT (VAN LEUSSEN, 1994; UNCLES et al., 2010).
A variabilidade das condições hidrodinâmicas com diferentes escalas de tempo
(semidiurna, lunar e sazonal) rege a dinâmica da floculação, ocasiona variações nas
concentrações dentro da ZMT e favorece o desenvolvimento de distintas camadas no
interior da suspensão. Este comportamento pode ser descrito pelo modelo conceitual
ao longo de um ciclo de maré proposto por DYER (1994). Durante os picos de
velocidades, observa-se a existência de um perfil de concentrações homogêneo na
vertical (favorecido pela maior mistura). Nas menores velocidades (por exemplo, nas
estofas), uma menor quantidade de sedimentos pode ser suportada pelo escoamento,
sedimentando inicialmente na parte superior da coluna d’água. As mudanças na
velocidade
de
sedimentação,
favorecida
pela
floculação,
produz
gradientes
significativos no perfil de concentração (lutoclina), na região próxima ao fundo.
3.4
Técnicas para medições de tamanho de flocos
O tamanho dos flocos varia continuamente com o ciclo da maré e é de difícil predição
por se tratar de estruturas muito frágeis que se rompem durante a amostragem
(EISMA et al., 1996). No intuito de minimizar as perturbações nas amostragens, cada
vez mais se faz uso de métodos diretos (in situ), tais como a utilização de câmeras
submersas de fotos e vídeo (VAN LEUSSEN e CORNELISSE, 1993) e equipamentos
óticos que determinam a distribuição de tamanho (ou tamanho representativo da
amostra em suspensão) a partir de difração a laser (BALE, 1996).
BENSON e FRENCH (2007) apresentam uma revisão detalhada das diversas técnicas
e sistemas de medição in situ de tamanho de partículas. Dentre elas destacam-se três
métodos: a estimativa a partir da medição da velocidade de sedimentação, sistemas
de aquisição de imagens e técnicas ópticas ou acústicas.
A estimativa de tamanho a partir da medição da velocidade de sedimentação originase dos estudos desenvolvidos utilizando tubos de sedimentação in situ, tais como o
tubo de OWEN (1971) e suas variações mais recentes (Por exemplo, o RWS utilizado
por VAN LEUSSEN (1996) e o BIGDAN utilizado por PULS e KUHL (1996)). A
desvantagem da utilização desta metodologia baseia-se no fato de o sistema não
15
reproduzir fidedignamente as condições hidrodinâmicas atuantes, já que as medições
são realizadas no interior de um reservatório. Outra forma de inferir a velocidade de
sedimentação in situ é a partir da medição de perfis de concentração aplicando a
teoria de Rouse, onde se assume que o perfil de concentrações medido se assemelha
ao perfil teórico de Rouse. Entretanto, a equação de Rouse só é aplicável a condições
permanentes, tornando seu uso questionável para as estofas de maré. Destaca-se
ainda o fato de que o ajuste entre o perfil de concentrações medido e o perfil de Rouse
pode não ser possível durante estratificação e/ou presença de lama fluida (ROSS e
MEHTA, 1989 apud BENSON e FRENCH, 2007).
A partir dos anos 80, diversos sistemas de aquisição e análise de imagens in situ
começaram a ser desenvolvidos. Os primeiros sistemas baseados na utilização de
uma única câmera (p.e. Benthos Plankton Câmera, EISMA et al., 1980 apud BENSON
e FRENCH, 2007; In situ Aggregate Analysis Camera (ISAAC), KNOWLES e WELLS,
1996 apud BENSON e FRENCH, 2007) tinha como principal limitação não ser capaz
de medir todo o espectro de tamanhos. Visando solucionar este problema, passou-se
a desenvolver variações desses sistemas fazendo-se uso de múltiplas câmeras
(EISMA et al., 1990 apud BENSON e FRENCH, 2007) ou acoplamento de
reservatórios para determinação da velocidade de sedimentação (Floc Camera
Assembly, HEFFLER et al., 1991 apud BENSON e FRENCH, 2007; Video In situ (VIS),
VAN LEUSSEN e CORNELISSE, 1993; In situ Settling Velocity (INSSEV), FENESSY
et al., 1994; In situ Particle Imaging Device (InSiPID), BENSON e FRENCH, 2007).
Os métodos mais recentes baseiam-se no espalhamento óptico ou acústico de
partículas em suspensão. Dentre eles destaca-se a série de equipamentos LISST’s
(AGRAWAL e POTTSMITH, 1994) que fazem uso da tecnologia da difração a laser
para medição de concentração e tamanho de partículas em suspensão. A técnica de
difração a laser faz uso da teoria Mie para o espalhamento da luz na presença de
pequenas partículas, assumindo que as mesmas são esféricas.
16
4
CARACTERIZAÇÃO DO MATERIAL
FLOCULAÇÃO NO RIO AMAZONAS
EM
SUSPENSÃO
IN
SITU
E
Esta tese baseia-se na análise e discussão de observações oceanográficas coletadas
em duas comissões realizadas na foz do Rio Amazonas nos anos de 2006 e 2008. As
comissões foram realizadas no âmbito do projeto Barra Norte, que teve como objetivo
desenvolver estudos para o auxílio à segurança da navegação. Durante o projeto
(2005 - 2008), parceria entre a Universidade Federal do Rio de Janeiro
(COPPE/UFRJ)
e
a
Marinha
do
Brasil,
foram
realizadas
três
comissões
oceanográficas (junho/2006, julho/2007 e outubro/2008) a bordo do Navio Hidrográfico
Sirius (H21) da Marinha do Brasil. Em todas as comissões os dados foram coletados
em pontos fixos (fundeios, ver Figura 1) distribuídos ao longo do canal de navegação e
com variabilidade temporal de aproximadamente 13 horas, ou seja, durante um ciclo
da maré. Nesta tese serão analisadas as informações coletadas, nas campanhas de
2006 e 2008, em um trecho de 90 km, compreendido entre a boca do estuário (P1, P3
e P5) e o limite da zona de máxima turbidez (P6). A comissão realizada em 2007 foi
descartada da análise já que neste ano, não foi possível coletar informações de
tamanho dos sedimentos em suspensão in situ devido ao não funcionamento do
medidor de tamanho de partículas. Na Tabela 2 é apresentado um resumo das
condições hidrodinâmicas observadas durante cada comissão analisada.
4.1
Dados coletados em campo
A hidrodinâmica local foi caracterizada a partir de perfis verticais, com sensores óticos
(sensor de turbidez e salinidade, OBS e um medidor de tamanho de partículas em
suspensão, LISST-25X) e acústicos (ADCP), realizadas durante o período de
ocupação dos fundeios (~13 horas). Os sensores óticos trabalharam acoplados a uma
gaiola que perfilava em intervalos horários (Figura 4), e que continha ainda, afixada a
ela, uma bomba submersa para coleta de amostras de água. Toda a instrumentação
utilizada coletava pontualmente suas variáveis de interesse exceto o perfilador
acústico de velocidades, ADCP, que trabalhou instalado na lateral do navio e
operando continuamente ao longo do ciclo de maré (Figura 4). As amostras de água
coletadas com a bomba submersa tiveram periodicidade temporal de 3 horas, e
vertical de 3 profundidades (superfície, meio e fundo da coluna d’água), e foram
acondicionadas em garrafas plásticas de 500 ml. Em cada profundidade coletava-se
duas garrafas de suspensão, uma para obter a concentração de material em
suspensão por meio de filtragem e outra a granulometria do material presente na
17
coluna d’água. Foram obtidas ainda amostras do material de fundo fazendo uso de um
amostrador de sedimentos do tipo Van Veen (Figura 4), utilizadas na caracterização
do tipo e tamanho do material encontrado no leito.
OBS
LISST
BOMBA
Figura 4. Instrumentação utilizada nas campanhas de campo. À esquerda, está mostrada a
configuração da gaiola utilizada na campanha de 2008. À direita, está mostrado o perfilador
acústico de efeito doppler (ADCP), no painel superior, e o amostrador de sedimentos utilizado
para coleta de material do leito, no painel inferior.
Os dados de vazão foram obtidos no site da ANA (2010) para a estação fluviométrica
de Óbidos, distante 800 km da foz do rio. O nível d’água ou maré dinâmica foi obtido
através do registro de um ecobatímetro com frequência de 210 kHz instalada no navio
que operava continuamente durante todo o período de levantamento dos dados.
As campanhas de campo foram localizadas temporalmente em função da vazão
fluvial, como mostrado na Figura 5. De acordo com essa figura, as campanhas foram
realizadas próximo aos picos de máxima e mínima vazão fluvial para 2006 e 2008
respectivamente. Ainda na figura 6, está mostrada uma curva teórica da variação
anual das concentrações de sedimentos em suspensão no rio. Essa curva foi
construída com base nos dados de concentração (projeto HYBAM) de amostragens
superficiais e com periodicidade de 10 dias, coletadas na estação de Óbidos, última
estação fluvial, distante 800 km da foz do rio. Durante os períodos em que foram
realizadas as campanhas de campo, foram observadas diferenças entre as vazões
18
líquidas e concentrações de sedimentos provenientes do rio. Essas últimas variando
de 0.05 g/l em 2006 e 0.1 g/l em 2008.
300000
0.3
1ª Campanha
2ª Campanha
275000
250000
0.25
225000
0.2
175000
150000
0.15
125000
100000
C no rio (g/l)
Vazão (m3/s)
200000
0.1
75000
50000
0.05
25000
0
10/05
02/06
06/06
10/06
02/07
06/07
10/07
02/08
06/08
09/08
01/09
0
05/09
Data
Figura 5. Localização temporal das campanhas de campo analisadas em função da vazão
fluvial (curva em preto) e da curva qualitativa teórica de variação anual de concentrações
vindas do rio (curva em vermelho). Essa curva foi construída a partir de amostras coletadas em
Óbidos durante o projeto HYBAM (LE GUENNEC, comunicação pessoal).
Na Figura 6, estão localizados temporalmente os fundeios P1, P3, P5 e P6 em função
da maré prevista em Ponta do Céu, estação de referência localizada na boca do
estuário. Nesta figura, a maré medida pelo ecobatímetro durante as campanhas de
campo de 2006 e 2008, está sobreposta à maré prevista. Da análise da Figura 6,
pode-se concluir que a campanha de 2006 foi realizada durante uma maré de
quadratura enquanto que a de 2008 foi realizada na transição entre maré de
quadratura para sizígia. Apesar das duas campanhas terem sido realizadas na
quadratura, observam-se diferenças significativas nas amplitudes da maré, maiores
em 2008.
19
2.5
2.0
P3
P1
P5
P6
1.5
1.0
Níveis (m)
0.5
0.0
-0.5
-1.0
-1.5
-2.0
7/6
8/6
9/6
28/10
29/10
30/10
6/6
5/6
4/6
3/6
2/6
1/6
31/5
-2.5
Hora local (Fuso: +03)
2.5
P1
P3
P5
P6
2
1.5
1
Nível (m)
0.5
0
-0.5
-1
-1.5
-2
31/10
27/10
26/10
25/10
24/10
23/10
22/10
21/10
-2.5
Hora loca (Fuso:+03)
Figura 6. Localização temporal dos fundeios para as campanhas de 2006 (painel superior) e
2008 (painel inferior). A curva em preto corresponde à maré prevista para a estação de Ponta
do Céu.
Os dados coletados foram processados de modo a obter uma estimativa da
variabilidade espacial, temporal e vertical dos diversos parâmetros que influenciam a
dinâmica da floculação no estuário do Rio Amazonas (G, C e tamanho das partículas
dispersas e flocos). A obtenção dos dados está condicionada a utilização de diversos
equipamentos. Para unificar o sistema vertical de referência, adotou-se trabalhar com
profundidades em metros acima do fundo, considerando a variação devido à maré
segundo o registro do ecobatímetro.
20
Tabela 2. Resumo das condições hidrodinâmicas observadas nas campanhas de campo. Os fundeios P1 e P3 estão localizados antes da foz do
rio a uma distância de 60 e 24 km, respectivamente. Já os fundeios P5 e P6 localizam-se a 12 e 30 km após a foz do rio, respectivamente.
Altura
Fundeio
Data
Vazão
da
3
maré
(m /s)
Prof.
3
Média(m)
Máxima
Sal
(m)
Máxima
Enchente
Vazante
(m/s)
(m/s)
Assimetria
4
Máxima
Material
Concentração
do
superfície (g/l)
Fundo
P1/2006
3/6/06
274600
1.9
18.5
0
0.16
0.84
0.7
0.037
Areia
P1/2008
21/10/08
100530
3.8
17.2
0
0.58
0.91
0.9
0.030
Areia
P3/2006
5/6/06
274600
2.2
17.5
0
0.95
1.10
0.8
0.040
Areia
100530
2.7
14.6
0
1.00
1.08
0.8
0.050
Areia
274600
2.4
14.8
0
0.86
1.20
1.0
0.120
Lama
100530
2.7
14.9
0 - 0.2
1.00
1.30
0.9
0.230
Lama
274600
2.2
11.9
0 - 23
0.72
1.65
1.1
0.120
Lama
100530
2.9
11.2
1-8
0.87
1.60
1.3
0.580
Lama
P3/2008
P5/2006
P5/2008
P6/2006
P6/2008
2122/10/08
6-7/6/06
2324/10/08
7/6/06
2425/10/08
3
A altura de maré foi definida como diferença entre crista e cavado da onda.
A caracterização da assimetria da maré foi definida como a relação entre os tempos de enchente (subida da maré) e tempo de vazante (descida
da maré).
4
21
4.2
Hidrodinâmica – cálculo da taxa de cisalhamento (G)
Os dados de velocidade de corrente medidos pelo ADCP (RDI, 600 kHz) foram coletados
utilizando células de 30 cm de altura e, de forma contínua durante 13 horas, empregando
uma taxa de amostragem de 0.33 Hz. Os perfis de velocidades foram processados de
modo a se determinar as intensidades das velocidades médias horárias no sentido do
escoamento (módulo) e características turbulentas (G).
As variações verticais e temporais das velocidades médias das correntes para os fundeios
P1, P3, P5 e P6 estão mostradas na Figura 7, Figura 8, Figura 9 e Figura 10,
respectivamente. Da análise das figuras observa-se relação entre a velocidade na
vazante e na enchente sempre maior que 1, indicando dominância de vazante nas
correntes.
O estudo da assimetria de maré no estuário do Rio Amazonas foi realizado por GALLO e
VINZÓN (2005) através de modelagem numérica. A Figura 11 mostra a variabilidade de
assimetria no estuário através da relação de fase 2 gM 2 − gM 4 . Os fundeios estudados
estão representados, nesta figura, em função da sua distância em relação à Óbidos. A
assimetria da maré, apresentada na Tabela 2, foi caracterizada através do quociente
entre os tempos de enchente (subida da maré) e tempo de vazante (descida da maré),
com relações superiores a 1 indicando dominância de vazante e inferiores a 1,
dominância de enchente.
Nos fundeios P1 e P3 a assimetria de níveis é classificada como positiva com valores do
quociente variando entre 0.7 e 0.9, como mostrado na Tabela 2. A relação entre as
velocidades de vazante e enchente, para os fundeios P1 e P3 é de 5.3 e 1.2 em 2006,
diminuindo para 1.6 e 1.1 em 2008, respectivamente. Nesses fundeios faz sentido se
avaliar diferenças entre cheia e seca do rio, com a vazão fluvial participando no
amortecimento das correntes de enchente e aumento das correntes de vazante. Em P1,
observam-se diferenças de 3.6 vezes entre as correntes de enchente entre 2006 e 2008,
com magnitudes de 0.16 m/s e 0.58 m/s, respectivamente. Quando se avalia as correntes
de vazante a diferença é de 1.1 vezes, com velocidades de 0.84 m/s e 0.91 m/s para 2006
e 2008, respectivamente. A combinação dos efeitos citados é a responsável pela
22
dominância das correntes de vazante no trecho superior mesmo com a assimetria positiva
nos níveis.
Nos fundeios P5 e P6, a dominância de vazante nas correntes está associada à
assimetria negativa de maré no trecho inferior como mostrado na Figura 11. Para estes
fundeios, o quociente entre os tempos de subida e descida variam entre 0.9 e 1.3 (Tabela
2). A relação entre as velocidades de vazante e enchente, para os fundeios P5 e P6 é de
1.4 e 2.3 em 2006 e de 1.3 e 1.8 em 2008, respectivamente, com maiores relações entre
velocidades associadas ao fundeio P6. A maior amplitude de maré encontrada em 2008
favorece o aumento das correntes de maré, tanto de enchente quanto de vazante.
Outra feição identificada no fundeio P6, foi a presença da intrusão salina maior em 2006
(salinidade máxima de 23) quando comparado com 2008 (salinidade máxima de 8). A
influência da intrusão salina pode ser observada na maior estratificação no perfil de
correntes em 2006. Neste ano, tem-se menor maré e maior vazão fluvial, favorecendo
condições de estratificação. No ano de 2008, tem-se maior maré e menor vazão fluvial,
favorecendo maior turbulência e consequentemente, quebra da estratificação, tornando a
distribuição da salinidade e correntes mais homogêneas na vertical. Maiores detalhes
sobre a dinâmica da intrusão salina no trecho de estudo, pode ser encontrada no trabalho
de MOLINAS et al., 2014. Todas essas feições, tanto a assimetria da maré quanto a
intrusão salina, podem ser importantes para a distribuição das concentrações e tamanhos
de sedimentos em suspensão.
23
P1
V (m/s)
2006
BM
PM
P1
V (m/s)
2008
PM
BM
Figura 7. Variação vertical e temporal das velocidades médias (positiva vazante e negativa
enchente) no fundeio P1. O painel superior corresponde às velocidades medidas em 2006 e o
inferior em 2008. Os pontos pretos se referem aos horários de lançamento da gaiola. A maré está
representada pela curva em superfície e são indicadas as estofas (PM – estofa de preamar e BM –
estofa de baixa-mar).
24
2006
V (m/s)
P3
PM
BM
2008
V (m/s)
P3
BM
PM
Figura 8. Variação vertical e temporal das velocidades médias (positiva vazante e negativa
enchente) no fundeio P3. O painel superior corresponde às velocidades medidas em 2006 e o
inferior em 2008. Os pontos pretos se referem aos horários de lançamento da gaiola. A maré está
representada pela curva em superfície e são indicadas as estofas (PM – estofa de preamar e BM –
estofa de baixa-mar).
25
2006
V (m/s)
P5
PM
BM
2008
V (m/s)
P5
BM
PM
Figura 9. Variação vertical e temporal das velocidades médias (positiva vazante e negativa
enchente) no fundeio P5. O painel superior corresponde às velocidades medidas em 2006 e o
inferior em 2008. Os pontos pretos se referem aos horários de lançamento da gaiola. A maré está
representada pela curva em superfície e são indicadas as estofas (PM – estofa de preamar e BM –
estofa de baixa-mar).
26
2006
V (m/s)
P6
BM
PM
2008
V (m/s)
P6
BM
PM
Figura 10. Variação vertical e temporal das velocidades médias (positiva vazante e negativa
enchente) no fundeio P6. O painel superior corresponde às velocidades medidas em 2006 e o
inferior em 2008. Os pontos pretos se referem aos horários de lançamento da gaiola. A maré está
representada pela curva em superfície e são indicadas as estofas (PM – estofa de preamar e BM –
estofa de baixa-mar).
27
2gM2 - gM4 (graus)
Assimetria
negativa
Assimetria
positiva
Distância de Óbidos (km)
Figura 11. A variabilidade de assimetria no estuário através da relação de fase
2 gM 2 − gM 4 . A
posição dos fundeios P1 (ponto preto), P3 (azul), P5 (verde) e P6 (magenta) foram destacadas.
Modificado de GALLO e VINZÓN (2005).
Uma forma de inferir as tensões atuantes no fundo a partir das velocidades de correntes
medidas é o método de perfil logarítmico (LP) que, quando aplicável, pode ser utilizado
para a obtenção de estimativas da velocidade de atrito em estudos hidrodinâmicos
realizados em ambientes fluviais. Entretanto, quando utilizado em regiões sob a influência
da maré apresenta limitações relacionadas a desvios na forma logarítmica do perfil,
gerados pelo comportamento oscilatório do escoamento. O método LP responde bem aos
ajustes realizados naqueles períodos coincidentes com as máximas velocidades das
correntes de maré (enchente e vazante) e apresentam deficiências nos períodos de
inversão das correntes (estofas) ou na presença de estratificação (LIU et al., 2009,
ABREU et al., 2013).
SANFORD e LIEN (1999) aplicaram esta metodologia em estudos desenvolvidos em um
canal de maré e observaram diferenças no ajuste de perfis de velocidades utilizando
todas as medições realizadas na coluna e/ou àquelas localizadas junto ao fundo. A
velocidade de atrito obtida com o primeiro ajuste foi duas vezes maior que àquela obtida
28
com o ajuste no fundo. Em concordância a esta afirmação, KIM et al. (2000) ressaltam
que, à medida que z aumenta, a hipótese de ajuste dos perfis medidos à camada
logarítmica se torna menos válida.
O método LP assume que, no caso de um leito hidraulicamente rugoso, o perfil de
velocidades pode ser aproximado por uma função logarítmica na parte inferior da camada
de contorno do fundo. Isso é consequência da suposição de que as tensões cisalhantes
são constantes nesta camada ( τ = ρu*2 ). Para o caso de um escoamento unidirecional, a
linearização da equação de von Kármán-Prandtl é dada por:
(4)
Onde u corresponde à velocidade média do escoamento a uma distância z do fundo, u* a
velocidade de atrito estimada, κ é constante de von Karman ( assumida como 0.4), z0 o
comprimento da rugosidade, que corresponde à altura acima do fundo onde a
extrapolação do perfil logarítmico tem velocidade nula.
O perfil vertical de velocidade média tem a forma quase logarítmica, com uma deformação
na superfície possivelmente relacionada ao atrito atuante na interface ar-água. Na Figura
12, apresenta-se um exemplo dos perfis verticais obtidos no fundeio P5 e durante a
campanha de 2006.
29
Profundidade relativa
P5 - 2006
Enchente
Vazante
Figura 12. Exemplo de perfis verticais de velocidades médias horárias no fundeio P5 para a
campanha de 2006. Velocidades negativas estão relacionadas à enchente e positivas à vazante.
Os perfis de velocidades médios medidos pelo ADCP na área de estudo foram ajustados,
a partir da equação (4) para obter assim, estimativas para a velocidade de atrito ( u* ) e o
comprimento da rugosidade ( z 0 ) do fundo. A velocidade de atrito ( u* ) é função da
declividade e o z 0 do coeficiente linear da reta ajustada. Por se tratar de perfis horários
realizados durante um ciclo de maré, foram obtidas para cada fundeio, em média, 13
valores de u* e z 0 . É importante verificar que, os parâmetros estimados devem se ajustar
às contínuas alterações das condições do escoamento. Para o caso do
z0 ,
especificamente, é importante que ele seja suficientemente sensível de modo a
representar mudanças na rugosidade de fundo relacionadas à presença de forma de
fundo (dunas e rugas) e granulometria do material.
Diante das constatações de SANFORD e LIEN (1999) e KIM et al., (2000) e visando
melhorar a confiabilidade do ajuste e das estimativas de u* obtidas nesta tese, foram
testados e comparados dois ajustes distintos do perfil medido ao perfil logarítmico: um
considerando todas as medições realizadas na coluna d’água (“ajuste total”, 1.5 a 10
30
mab5) e outro considerando o ajuste dos dados medidos junto ao fundo (“ajuste fundo”,
1.5 a 3 mab). Observou-se um pobre ajuste, em superfície, utilizando-se o ajuste total
podendo-se relacionar este comportamento a desvios induzidos pela atuação do vento e
ondas sobre a superfície da água. O ajuste do fundo se mostrou assim mais adequado,
com valores de correlação (R2) superiores a 90% na maioria dos ajustes realizados e foi
utilizado para estimar a magnitude da velocidade de atrito observada em campo.
Os ajustes dos perfis médios de velocidades medidos a uma curva logarítmica para os
fundeios P1, P3, P5 e P6 estão mostrados nas Figura 13 a Figura 16 e referem-se aos
instantes característicos de maré (BM – estofa de baixa-mar, PM – estofa de preamar, E –
máxima velocidade de enchente e V – máxima velocidade de Vazante). Os instantes
característicos da maré foram definidos em função da magnitude das velocidades das
correntes medidas. De modo geral, os ajustes se mostraram satisfatórios nas máximas
velocidades das correntes (R2 > 0.90), tanto na enchente quanto na vazante.
Os ajustes se mostraram deficientes (R2 < 0.40), quando aplicados à região de estudo, em
três situações listadas a seguir:
•
A rápida inversão das correntes nas estofas, não permite que haja tempo hábil
para o desenvolvimento completo do perfil logarítmico;
•
Comportamento semelhante ao da estofa é observado nos períodos de enchente
para o fundeio P1, onde o tempo de enchente é inferior a 5 horas;
•
A presença da estratificação salina, observada no fundeio P6 e mais evidente na
campanha de 2006, gera desvios na forma logarítmica do perfil de velocidades.
5
Metros acima do fundo (mab, em inglês).
31
3
E
BM
PM
V
BM
PM
2.5
E
V
ln z(m)
2
1.5
1
0.5
P1 2006
P1 - Cheia
0
-1.5
-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
u (m/s)
3
E
BM
PM
V
BM
PM
2.5
E
V
ln z(m)
2
1.5
1
0.5
P1
P1- Seca
2008
0
-1.5
-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
u (m/s)
Figura 13. Comparação dos ajustes nos quatro instantes característicos de maré para o fundeio
P1. O painel superior corresponde aos ajustes realizados para os dados coletados em 2006 e o
inferior em 2008. Os círculos correspondem às velocidades medidas pelo ADCP e as retas às
velocidades ajustadas ao perfil logarítmico.
32
3
BM
PM
E
V
BM
PM
2.5
E
V
ln z(m)
2
1.5
1
0.5
P3 2006
P3 - Cheia
0
-1.5
-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
u (m/s)
3
E
V
BM
PM
BM
PM
2.5
E
V
ln z(m)
2
1.5
1
0.5
P3 2008
P3 - Seca
0
-1.5
-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
u (m/s)
Figura 14. Comparação dos ajustes nos quatro instantes característicos de maré para o fundeio
P3. O painel superior corresponde aos ajustes realizados para os dados coletados em 2006 e o
inferior em 2008. Os círculos correspondem às velocidades medidas pelo ADCP e as retas às
velocidades ajustadas ao perfil logarítmico.
33
3.0
E
BM
PM
V
BM
PM
2.5
E
V
ln z (m)
2.0
1.5
1.0
0.5
P5 2006
P5 - Cheia
0.0
-1.5
-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
U (m/s)
3
E
PM
BM
V
BM
PM
2.5
E
V
ln z(m)
2
1.5
1
0.5
P5 2008
P5 - Seca
0
-1.5
-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
u (m/s)
Figura 15. Comparação dos ajustes nos quatro instantes característicos de maré para o fundeio
P5. O painel superior corresponde aos ajustes realizados para os dados coletados em 2006 e o
inferior em 2008. Os círculos correspondem às velocidades medidas pelo ADCP e as retas às
velocidades ajustadas ao perfil logarítmico.
34
3.0
BM
PM
2.5
E
E
PM
V
BM
2.0
ln z (m)
V
1.5
1.0
0.5
P6 2006
P6 - Cheia
0.0
-1.5
-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
U (m/s)
3
BM
PM
2.5
PM
E
E
BM
V
V
ln z(m)
2
1.5
1
0.5
P6 2008
P6 - Seca
0
-1.5
-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
u (m/s)
Figura 16. Comparação dos ajustes nos quatro instantes característicos de maré para o fundeio
P6. O painel superior corresponde aos ajustes realizados para os dados coletados em 2006 e o
inferior em 2008. Os círculos correspondem às velocidades medidas pelo ADCP e as retas às
velocidades ajustadas ao perfil logarítmico. O pobre ajuste do perfil de velocidades medido a um
perfil logarítmico para P6 está relacionado à influência da estratificação salina, maior em 2006,
gerando desvios na forma logarítmica do perfil de velocidades.
35
As velocidades de atrito e o comprimento da rugosidade, estimadas a partir do ajuste do
perfil de velocidades médias das correntes medidos pelo ADCP utilizando o método LP,
estão listadas na Tabela 3. A condição do regime turbulento ( Re > 2500 ) e rugoso
( Re * > 70 ) foi verificada a partir dos parâmetros u* e z0 .
Tabela 3: Estimativas de
u* (m/s)
u* (m/s) e z0 para os instantes característicos de maré.
2006
2008
P1
P3
P5
P1
P3
P5
BM
0.0062
0.0062
0.0157
0.0097
0.0179
0.0169
V
0.0950
0.0031
0.0091
0.0115
0.0193
0.0151
PM
0.0166
0.0494
0.0424
0.0249
0.0518
0.0669
E
0.0423
0.0543
0.0577
0.0425
0.0664
0.0886
z0 (mm)
4.2 – 27.8
1.6 – 11.5
2.6 – 5.1
1.6 – 15.1
12.1 - 27.8
21.3 - 28.5
Re
3.0 x 10
6
1.7 x 107
1.3 x 107
1.0 x 10
7
1.5 x 107
1.5 x 107
Re *
5.3 x 10
6
1.5 x 10
5
7.0 x 10
5
7.1 x 10
5
5.5 x 10
6
9.6 x 10
6
Como discutido anteriormente a turbulência (representada pela taxa de cisalhamento) é
função da dissipação da energia cinética turbulenta e da viscosidade. A taxa de
dissipação de energia (ε), função de u* e da profundidade relativa é obtida utilizando a
equação (5) (NEZU e NAKAGAWA, 1975):
ε=
u* 1 − z h
κh z h
(5)
Onde h corresponde à profundidade total e z a profundidade de cálculo.
As estimativas da taxa de cisalhamento (G) para fundo, meio e superfície da coluna
d’água (20, 50 e 80% da profundidade total, respectivamente) foram obtidas empregando
a equação (2). Os valores característicos de G médio obtidos estão listados na Tabela 4.
36
Tabela 4: Estimativas de G médio para os instantes característicos de maré.
2006
Instantes
2008
de maré
P1
P3
P5
P1
P3
P5
BM
0.25
0.26
1.19
0.52
1.46
1.30
V
4.72
8.44
5.01
10.21
15.90
PM
x
7.16
0.09
0.50
0.67
1.52
1.06
E
1.22
5.93
5.07
2.26
6.73
9.77
A Figura 17 mostra a variação temporal e em profundidade (superfície e fundo) do G para
as duas campanhas. As curvas azul e verde é a velocidade média das correntes medidas,
durante um ciclo de maré, nos fundeios P1, P3 e P5 para o ano de 2006 e 2008,
respectivamente. Para melhor comparação entre as duas campanhas, escolheu-se a
estofa de enchente (high water slack) como referência temporal (tempo zero). De forma
geral, a turbulência tem sua variabilidade temporal associada à variabilidade observada
nas velocidades, e sua intensidade máxima relacionada à maior altura de maré em
qualquer ponto analisado.
No trecho entre os fundeios P1 e P3, observa-se a influência fluvial na distribuição
temporal das correntes. Já no comportamento da turbulência, G, a variabilidade temporal
estaria diretamente relacionada à influência da maré, que deformaria a forma do perfil de
velocidades medido, influenciando assim na estimativa do u* . No fundeio P1, as maiores
magnitudes foram observadas em 2008, possivelmente devido à presença de maior altura
de maré nesta campanha (1.9 e 3.8 m para 2006 e 2008, respectivamente). Para o
fundeio P3, a diferença da altura de maré (2.2 e 2.7 m para 2006 e 2008,
respectivamente) foi menor que a observada em P1. Assim, tanto as máximas
velocidades quanto os picos de G na enchente foram aproximadamente iguais. Já na
vazante, a influência da vazão fluvial é mais notória nas correntes de vazante (maiores
em 2006). Apesar da maior influência da vazão fluvial nas correntes, observam-se
maiores magnitudes de turbulência para o ano de 2008, associada à presença de maior
maré. No fundeio P5, as maiores magnitudes das velocidades da corrente e turbulência
foram observadas em 2008, acompanhando o incremento da altura de maré de 2.4 m em
2006 para 2.7 m em 2008.
37
50
1.6
P1
45
1.4
40
1.2
2008
1
G (s-1)
30
25
0.8
2006
20
0.6
Vel. Média (m/s)
35
GF
15
0.4
10
GS
5
0.2
0
0
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
t (h)
50
1.6
P3
45
1.4
2006
40
1.2
1
G (s-1)
30
25
0.8
GF
20
0.6
Vel. Média (m/s)
35
15
0.4
10
2008
GS
0.2
5
0
0
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
t (h)
38
50
1.6
P5
45
1.4
2008
40
1.2
1
G (s-1)
30
25
0.8
20
0.6
Vel. Média (m/s)
35
GF
15
0.4
GS
10
2006
0.2
5
0
0
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
t (h)
Figura 17. Variação temporal da taxa de cisalhamento (G) nos fundeios P1 (painel superior), P3
(painel central) e P5 (painel inferior). As linhas correspondem às velocidades médias na vertical. A
cor azul refere-se aos dados medidos em 2006 e a cor verde aos dados medidos em 2008. Os
círculos cheios relacionam-se à estimativa de G no fundo e os vazados na superfície. Para melhor
comparação entre as duas campanhas, escolheu-se a estofa de enchente (high water slack) como
referência temporal (tempo zero). As velocidades de enchente estão relacionadas aos tempos
negativos e as de vazante aos tempos positivos.
39
A Figura 18 mostra a variação longitudinal da turbulência média ao longo do estuário e a
variabilidade vertical associada para cada instante característico da maré (E, V e estofas).
A turbulência apresenta um aumento de P1 para P5, tanto em 2006 quanto em 2008, com
maiores magnitudes relacionadas aos períodos de vazante. A variabilidade vertical
apresenta ainda relação com as magnitudes das velocidades, crescendo de estofas para
vazante.
50
V
45
40
35
V
E
20
E
15
E
estofas
V
estofas
25
estofas
G (s-1)
30
10
5
0
0
P1 1
2
P3 3
Fundeios
4
5
P5
6
Figura 18. Variação longitudinal da taxa de cisalhamento (G) no estuário do Rio Amazonas. Os
círculos correspondem à enchente (E), os triângulos à vazante (V) e os losangos à estofas. A cor
azul refere-se aos dados coletados em 2006 e a verde em 2008.
40
4.3
Concentrações de sedimentos em suspensão
As concentrações encontradas em águas costeiras e estuarinas, quando comparadas às
observadas em ambientes fluviais, são variáveis no tempo e no espaço devido à atuação
de maré e ondas em um escoamento oscilatório (LIU et al., 2014). Com o advento das
técnicas de sensoriamento remoto, muitos estudos tem se concentrado em investigar
variações espaciais das concentrações na superfície da coluna d’água. Entretanto,
quando sujeitas a influencia da gravidade e da turbulência, as variações verticais das
concentrações são significantes e complexas (WHITEHOUSE et al., 2000).
Os processos que determinam a variabilidade vertical das concentrações são bem
entendidos para sedimentos não coesivos (SOULSBY, 1997), com o balanço entre
difusão e sedimentação dos grãos resultando em um perfil em equilíbrio, chamado perfil
de Rouse. Quando se trata de sedimentos coesivos, os processos que controlam as
mudanças verticais das concentrações são complexos e, como resultado desta
complexidade, os perfis verticais de concentração para a lama são multiformes (SHI et al.,
1996; WHITEHOUSE et al., 2000; ZHANG et al., 2007; LIU et al., 2014).
Nos estudos de floculação, essa relação de retroalimentação entre a turbulência e a
concentração de sedimentos, afeta principalmente a frequência de colisão entre as
partículas da suspensão, influenciando assim a cinética da floculação. Para entender a
dinâmica da floculação em ambientes estuarinos e qual o papel da concentração de
sedimentos neste processo, é importante que se conheça o comportamento espacial,
temporal e vertical desta variável.
Um OBS-3A (Campbell Scientific, Logan, UT, USA) foi utilizado para medir perfis de
turbidez entre a superfície e o fundo da coluna d’água operando a uma frequência
amostral de 1Hz, ou seja, coletando uma amostra por segundo. Os dados de saída são
disponibilizados em arquivos com extensão .dat e tem como unidade de medida de
turbidez o NTU (Unidade Nefelométrica de Turbidez). Este equipamento fornece ainda
informações de data, hora e profundidade de operação do instrumento, além de
temperatura, salinidade e condutividade do meio. A conversão dos dados de turbidez
coletados in situ, em NTU, para unidade de concentração de sedimentos em suspensão,
em g/l, está condicionada à construção de uma curva de calibração (Figura 19). Essa
41
curva foi construída em laboratório utilizando para isso, material do leito coletado na zona
de máxima turbidez. Esse mesmo material foi utilizado ainda nos ensaios de floculação e
sua descrição está mostrada no capítulo 06. É imprescindível que na construção da curva
de calibração seja utilizado material coletado in situ, ou seja, a curva de calibração obtida
deve ser inerente ao equipamento e local estudado. Nas campanhas realizadas em 2006
e 2008, foram utilizados dois turbidímetros, ambos do mesmo modelo, mas com
diferenças no intervalo ótico de medição: 500 e 2500 NTU, respectivamente. Para o
tratamento dos dados de turbidez medidos é necessária à construção de duas curvas de
calibração, uma para cada equipamento. As curvas construídas para as campanhas estão
mostradas na Figura 19. Ressalta-se que neste trabalho foi utilizada a parte ascendente da
curva de calibração, ou seja, até o limite de saturação dos instrumentos.
Figura 19. Curva de calibração utilizada na conversão dos dados de turbidez (NTU) em
concentração de sedimentos em suspensão (g/l) para os dois turbidímetros utilizados.
42
10
P1
P3
P5
P6
C da filtração (g/l)
1
0.1
0.01
0.01
0.1
1
10
C OBS (g/l)
Figura 20. Comparação entre concentração de sedimentos em suspensão. O eixo horizontal
refere-se às concentrações medidas pelo OBS, convertida para g/l usando a curva de calibração.
No eixo vertical estão as concentrações obtidas pela filtragem das amostras de água coletadas em
campo.
Na Figura 20 estão comparadas as concentrações de sedimentos em suspensão, em g/l,
medidas pelo OBS com aquelas obtidas em laboratório pela filtragem das amostras de
água coletadas em campo. Nas baixas concentrações, inferiores a 0.1 g/l, observa-se
sobrestimativa das concentrações medidas pelo OBS. Esse comportamento é verificado
em P1 e em P6. Como será discutido mais adiante, os tamanhos em suspensão em P1
(areia) são maiores que àqueles das amostras utilizadas na construção da curva de
calibração (lama), o que segundo WHITE (1998), tornaria o sensor insensível às
variações dos tamanhos mais grossos. Já no P6, a presença da salinidade poderia estar
interferindo no sinal do OBS, diminuindo as concentrações registradas, como mostrado
por LEÃO (2013). Nos fundeios P3 e P5, de forma geral, o ajuste entre as concentrações
se mostrou aceitável. Nas altas concentrações, àquelas superiores a 1 g/l, tem-se a
limitação associada ao intervalo ótico de detecção do equipamento (ponto de saturação).
Na Figura 21, se apresentam todos os perfis medidos em ambas as campanhas, onde fica
evidenciado o aumento das concentrações de P1 a P6, o que caracteriza o trecho de
estudo como preferencial para a formação da zona de máxima turbidez (VILELA, 2011).
43
2006
C (g/l)
2008
C (g/l)
Figura 21. Variação longitudinal das concentrações ao longo do estuário. O painel da esquerda
corresponde aos dados coletados na campanha de 2006 e os da direita em 2008. As
profundidades estão referidas à superfície. A máxima concentração em superfície no fundeio P1 é
0.037 em 2006 e 0.030 g/l em 2008.
As séries temporais dos perfis verticais de C medidas e mostradas na Figura 21, sugerem
que os perfis individuais de concentrações são multiformes. LIU et al. (2014) a partir de
medições com o OBS no estuário do rio Yangtze (China) identificou 9 tipos principais de
perfis de concentração apresentados na Figura 22.
44
Lutoclina
Côncavo para cima
Côncavo para baixo
Em S
Em S invertido
Inclinado
Homogêneo
Altura relativa
Em L
Em arco
C/Ca
Figura 22. Exemplos das principais formas dos perfis típicos de concentração de sedimentos em
suspensão (LIU et al., 2014).
Da comparação dos perfis de concentração medidos na foz do Rio Amazonas com os
apresentados por LIU et al. (2014) foram identificados perfis do tipo côncavo para cima,
verticalmente homogêneo, em forma de L e em arco. A variação das formas dos perfis de
45
concentração ao longo do ciclo de maré está diretamente relaciona a distribuição das
velocidades.
As
maiores
concentrações
são
observadas
dentro
do
período
correspondente às máximas velocidades, e as menores nos instantes correspondentes às
estofas da maré. Nas máximas velocidades, os perfis de C apresentam valores no fundo
superiores aos da superfície e tem forma côncava para cima (perfil típico de escoamento
permanente e unidirecional, perfil de Rouse). Nas estofas, verificou-se homogeneidade
vertical das concentrações. No fundeio P6, tanto em 2006 quanto em 2008, a forma dos
perfis de concentração sofre alterações relacionadas à presença da salinidade, que
distorce ainda, os perfis das velocidades das correntes. Em 2006, os perfis tem forma de
arco, com concentrações no fundo superiores às da superfície, e tendendo a zero no meio
do perfil (indicativo de água limpa no meio da coluna d’água). Já em 2008, os perfis tem
forma de L, ou seja, apresentam concentrações homogêneas na coluna e um brusco
aumento próximo ao fundo. É importante destacar que em 2006 a cunha salina foi
localizada no fundeio P6, enquanto que em 2008, neste mesmo ponto, identificou-se
somente o “tip” da cunha salina.
A variação vertical e temporal dos perfis de concentração ao longo do ciclo de maré para
os fundeios P1, P3, P5 e P6 está mostrada na Figura 23, Figura 24, Figura 25 e Figura
26, respectivamente. Assim como observado na forma dos perfis individuais, verifica-se
formação de lutoclina nos perfis de concentrações nas máximas velocidades da corrente
e homogeneidade nas estofas, com menores magnitudes nesses instantes. Essa variação
temporal nas magnitudes das concentrações de sedimentos estaria diretamente
relacionada à variação temporal das velocidades e consequentemente taxa de
cisalhamento (G).
As maiores concentrações médias na vertical são observadas na vazante, exceto para o
P5, tanto em 2006 quanto em 2008. No fundeio P1, as concentrações na vazante são em
média 60 e 30% maiores que as de enchente para 2006 e 2008, respectivamente. No
fundeio P3, essas diferenças são em média de 5 e 40%, respectivamente. As diferenças
entre as concentrações na vazante e enchente nesses fundeios são consequência, como
discutido anteriormente, da influência da vazão fluvial nas correntes. As maiores relações
entre as velocidades de vazante e enchente são encontradas em 2006 quando
comparado a 2008.
46
Em P6, as diferenças nas concentrações entre vazante e enchente são em média de 90 e
130% para 2006 e 2008, respectivamente, e estão relacionadas ao aumento da amplitude
da maré entre 2006 e 2008.
Já em P5, as concentrações são em média 20% maiores na enchente que na vazante,
tanto para 2006 quanto para 2008. Ressalta-se que para este ponto, foram encontradas
as menores diferenças na altura de maré entre as duas campanhas (2.4 e 2.7,
respectivamente). Embora a turbulência, como mostrado anteriormente, seja maior na
vazante, a maré estaria ressuspendendo mais sedimento na enchente, aumentando
assim, as concentrações de sedimentos em suspensão, quando comparada à vazante.
47
P1
C (g/l)
2006
BM
PM
P1
C (g/l)
2008
PM
BM
Figura 23. Variação vertical e temporal das concentrações de sedimentos em suspensão no
fundeio P1. O painel superior corresponde às concentrações medidas pelo OBS em 2006 e o
inferior em 2008. Os pontos azuis se referem aos horários de lançamento da gaiola e os negros às
concentrações obtidas com a filtragem das amostras de água. A maré está representada pela
curva em superfície e são indicadas as estofas (PM e BM).
48
2006
C (g/l)
P3
PM
BM
2008
C (g/l)
P3
BM
PM
Figura 24. Variação vertical e temporal das concentrações de sedimentos em suspensão no
fundeio P3. O painel superior corresponde às concentrações medidas pelo OBS em 2006 e o
inferior em 2008. Os pontos azuis se referem aos horários de lançamento da gaiola e os negros às
concentrações obtidas com a filtragem das amostras de água. A maré está representada pela
curva em superfície e são indicadas as estofas (PM e BM).
49
2006
C (g/l)
P5
PM
BM
2008
C (g/l)
P5
BM
PM
Figura 25. Variação vertical e temporal das concentrações de sedimentos em suspensão no
fundeio P5. O painel superior corresponde às concentrações medidas pelo OBS em 2006 e o
inferior em 2008. Os pontos azuis se referem aos horários de lançamento da gaiola e os negros às
concentrações obtidas com a filtragem das amostras de água. A maré está representada pela
curva em superfície e são indicadas as estofas (PM e BM).
50
P6
C (g/l)
2006
PM
BM
2008
C (g/l)
P6
BM
PM
Figura 26. Variação vertical e temporal das concentrações de sedimentos em suspensão no
fundeio P6. O painel superior corresponde às concentrações medidas pelo OBS em 2006 e o
inferior em 2008. Os pontos azuis se referem aos horários de lançamento da gaiola e os negros às
concentrações obtidas com a filtragem das amostras de água. A maré está representada pela
curva em superfície e são indicadas as estofas (PM e BM).
51
4.3.1 Estimativa da velocidade de queda das partículas ( ws )
Uma forma indireta de estimativa de tamanho foi realizada, permitindo assim, comparação
dos tamanhos medidos e estimados. O método indireto utilizado consistiu em ajustar os
perfis de concentrações medidos ao perfil de Rouse, obter a velocidade de queda das
partículas e, a partir desta, o tamanho característico de cada perfil, utilizando a equação
de Stokes.
Na ausência de estratificação, por exemplo, naquelas regiões antes da intrusão salina
(entre P1 e P5), o escoamento no estuário pode ser caracterizado pelo perfil logarítmico e
a mistura vertical é descrita por um perfil parabólico da difusão turbulenta (GEYER, 1993).
Desta forma, a equação de Rouse, pode ser usada para descrever o perfil vertical de
concentrações e na sua forma original é expressa por:
C z = Ca e

 ws
 β

z
∫
za

dz 
K s 

(6)
Onde C z e C a são as concentrações a uma altura z e a acima do fundo, ws é a
velocidade de sedimentação das partículas, β é um coeficiente de proporcionalidade, e
z 

K s = κ u* z 1 −  , onde κ é o coeficiente de von Karman (~ 0.4), u* é a velocidade de
 H
atrito e H a profundidade total.
A equação de Rouse pode ser expressa ainda como (MIDDLETON e SOUTHARD, 1984
apud LIU et al., 2014):
 (H − z )a 
C z = Ca 
 com n = ws κ u*
 z (H − a ) 
n
(7)
Quando comparado aos perfis de concentrações medidos em campo, a equação de
Rouse tem duas limitações, ambas relacionadas a desvios entre a forma do perfil medido
52
e ajustado. Por definição (equação 7), as concentrações ajustadas seriam nulas na
superfície ( z = H ) e infinitas no fundo ( z = 0 ), e o perfil ajustado teria então forma de S
invertido (Figura 27) (GEYER, 1993; LIU et al., 2014). Dessa forma, a primeira limitação
estaria diretamente relacionada à definição do ajuste, que simula um perfil de
Altura relativa acima do fundo
concentrações que teria uma forma idealizada e irreal.
Concentração relativa
Figura 27. Perfis verticais adimensionais de sedimentos em suspensão (perfis de Rouse)
para vários valores do parâmetro de Rouse (n) igual a
ws
κu* .
A segunda limitação estaria relacionada aos processos que influenciam as concentrações
em campo, por exemplo, estratificação por densidade que causa deformações na parte
inferior do perfil medido e são difíceis de serem reproduzidas pelo ajuste ao perfil de
Rouse.
Visando obter melhores ajustes dos perfis de concentrações medidos no estuário
Yangtze, LIU et al. (2014) propuseram uma modificação para a equação (7), expressa
por:
53
a  H −z
 z   z−a 
C z = Ca   
 + CH   

 z H −a
H  H −a
n
n
(8)
Com n = ws κ u* .
Os autores destacam a importância da altura de referência para se obter um melhor
ajuste já que, somente nessa altura as concentrações simuladas se igualam às medidas.
Apesar de a equação (8) considerar duas concentrações de referência, uma próxima ao
fundo (Ca) e outra na superfície da coluna d’água (CH), o número de Rouse (n) é único, e
é obtido através do ajuste que considera somente a primeira parte da equação. Quando
se adotam duas alturas de referência e suas concentrações correspondentes, altera-se,
portanto, a forma do perfil de Rouse de S invertido para côncavo para cima.
Os perfis de concentrações medidos na foz do rio Amazonas, são côncavos para cima
nas máximas velocidades da corrente, tanto na enchente quanto na vazante, e
verticalmente homogêneos nas estofas. Dessa forma, os ajustes foram realizados
somente para os perfis medidos nas máximas velocidades das correntes (Figura 28) para
os fundeios P1, P3 e P5. Em P6, devido à estratificação salina, que deforma os perfis de
velocidades e concentrações, não foi possível determinar a velocidade de atrito u* e
consequentemente o número de Rouse.
Nesta tese, a altura de referência do fundo (a) foi determinada em função da altura do
último nível de medição do OBS em relação ao leito definido pela altura fixa do
equipamento, 50 e 100 cm para as campanhas de 2006 e 2008, respectivamente. A
concentração de referência ( C a ) é a concentração correspondente à altura de referência.
A profundidade total (H) é a profundidade local observada em cada perfil, C z a
concentração de referência na superfície e z é a profundidade local expressa em metros
acima do fundo. A velocidade de atrito ( u* ) foi obtida a partir do ajuste dos perfis de
velocidades médias medidos pelo ADCP ao perfil logarítmico.
54
E 06
E 08
V 08
V 06
1.2
1.0
Z/H
0.8
0.6
0.4
0.2
P1
0.0
0.0
0.2
0.4
0.6
C (z)/C(a)
0.8
1.0
1.2
0.4
0.6
C (z)/C(a)
0.8
1.0
1.2
E 08
V 06
1.0
E 06
V 08
1.2
Z/H
0.8
0.6
0.4
0.2
P3
0.0
0.0
0.2
55
V 06
E 06
1.0
E 08
V 08
1.2
Z/H
0.8
0.6
0.4
0.2
P5
0.0
0.0
0.2
0.4
0.6
C (z)/C(a)
0.8
1.0
1.2
Figura 28. Perfis de Rouse ajustados aos perfis de C medidos para os fundeios P1, P3 e P5. A
curva azul e laranja correspondem aos perfis representativos da vazante e a curva verde e marrom
aos perfis representativos da enchente.
A equação (9) foi utilizada para calcular, a partir da estimativa da velocidade de queda
( ws ) através do ajuste dos perfis de concentração medidos ao perfil teórico de Rouse, o
diâmetro das partículas em suspensão:
ws =
g (ρ s − ρ w )d 2
18µ
(9)
Onde: g é a aceleração da gravidade (10 m/s2); ρ s e ρ w as massas específicas do
sedimento e da água, 2650 e 1000 kg/m3, respectivamente; µ a viscosidade dinâmica
( 1 × 10 −3 Ns/m2) do fluido.
Esse diâmetro calculado estaria representando o diâmetro médio das partículas em
suspensão para o perfil teórico de concentrações de Rouse. Os valores médios destes
diâmetros, para cada fundeio, estão mostrados na Tabela 5. Os tamanhos aumentam de
P1 a P5 e variam entre 39 µm(E) e 57/60 µm (V) em P1; 80/92 µm (E) e 87/143 µm (V)
em P3; 65/131 µm (E) e 59/184 µm (V) em P5, para 2006 e 2008 respectivamente.
56
Tabela 5. Velocidade de queda (ws) e diâmetros (d) estimados com a equação de Stokes.
Enchente
Fundeio
ws
(mm/s)
d (µm)
Vazante
ws
(mm/s)
d (µm)
P1 2006
0.2
14.12
3.0
57.26
P3 2006
7.7
91.78
6.9
86.96
P5 2006
3.8
64.72
3.2
59.31
P1 2008
1.4
38.54
3.3
60.36
P3 2008
5.9
80.09
18.8
143.04
P5 2008
15.9
131.58
31.0
184.02
57
4.4
Distribuição de tamanhos dos sedimentos
A caracterização dos sedimentos na área de estudo foi realizada a partir da determinação
da granulometria do material depositado no leito do rio e em suspensão na coluna d’água.
O difratômetro Malvern Mastersizer 2000 foi empregado para a determinação da
granulometria das partículas dispersas, exceto para as amostras onde o conteúdo de
areia excedeu 50%. Neste caso, a granulometria do material foi determinada a partir do
peneiramento. Será apresentada a caracterização granulométrica do material do leito
seguida da caracterização do material disperso em suspensão. Posteriormente apresentase a caracterização dos sedimentos em suspensão in situ realizada a partir de medições
com LISST-25X.
4.4.1 Material do leito
Durante as campanhas de campo, foi coletada uma amostra de fundo em cada fundeio,
totalizando 8 amostras a serem analisadas. Os sedimentos presentes nas amostras
coletadas tiveram seus tamanhos medidos utilizando o equipamento Malvern Mastersizer
2000 (Figura 29). Exceto naquelas amostras em que o conteúdo de areia é superior a
50%, neste caso foi utilizado o peneiramento. Não foi avaliado o teor de matéria orgânica
das amostras. Das amostras de fundo analisadas, observou-se que nos fundeios P1 e P3,
há o predomínio de sedimentos mais grossos, com teores de areia superiores a 94%,
chegando a atingir 99.1% em P1. Já nos fundeios P5 e P6, há o predomínio de
sedimentos mais finos, com teores superiores a 50% e 17% de silte e argila,
respectivamente. Os sedimentos mais grossos foram identificados no fundeio P1, com
diâmetros variando entre 100 e 200 µm, tornando-se mais finos, diâmetros variando entre
4 e 18 µm, à medida se aproxima da região mais ao largo (Tabela 6).
58
Tabela 6. Diâmetro mediano (d50) dos sedimentos de fundo coletados ao longo do canal de
navegação na foz do Rio Amazonas segundo escala Wenworth.
Campanha
2006
2008
Fundeio
% argila
< 4 µm
%silte
Entre 4 e 63
µm
% areia
d50
> 63 µm
(µm)
P1
1
99
162
P3
6
94
120
P5
43
57
0.5
5
P6
17
73
10
18
P1
1
3
96
200
P3
0
4
96
117
P5
33
59
8
7
P6
25
71
4
9
100%
90%
80%
70%
%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
P1 06
P1 08
P3 06
P3 08
P5 06
P5 08
P6 06
P6 08
Figura 29. Caracterização granulométrica das amostras de fundo coletadas ao longo do canal de
navegação no estuário do Rio Amazonas. Em verde, vermelho e azul estão representados,
percentualmente, o teor de areia, silte a argila respectivamente.
59
4.4.2 Sedimentos em suspensão: partículas dispersas
Neste item será apresentado o resultado das análises das amostras de água coletadas
em três profundidades nos fundeios ocupados durante um ciclo de maré, nas duas
campanhas de campo realizadas. As amostragens foram realizadas com intervalo
temporal de aproximadamente 4 horas. Das 84 amostras de sedimentos em suspensão
analisadas (Tabela 7), 21% é constituída por argila (< 4 µm), 65% de silte (entre 4 e 63
µm) e 14% de areia (> 63 µm). Em termos da distribuição espacial, verifica-se um
aumento no teor de finos em detrimento ao teor de areia da região de influência fluvial (P1
e P3) para a região mais ao largo (P5 e P6). Esse padrão de distribuição espacial é o
mesmo daquele observado na análise das amostras de fundo (Tabela 6). A diminuição do
tamanho do material em suspensão associado ao aumento da fração fina, juntamente
com o aumento das concentrações de sedimentos em suspensão, indica a presença da
zona de máxima turbidez no final do trecho de estudo, favorecido pelas condições
geométricas e hidrodinâmicas.
A variabilidade vertical e longitudinal de tamanho das partículas dispersas está mostrada
na Figura 30. Nesta figura comparam-se as curvas granulométricas acumuladas tanto
para os sedimentos do leito (curvas em vermelho) quanto para o material de suspensão
(curvas em azul e verde). As amostras de sedimentos em suspensão representadas na
figura pela cor azul são àquelas coletadas em profundidades mais próximas ao fundo. Da
análise da Figura 30 observa-se uma marcada diferença entre o material do leito e da
suspensão para os fundeios P1 e P3. Já para os fundeios P5 e P6, verifica-se
semelhança entre as curvas, indicando que o material em suspensão apresenta a mesma
granulometria que o material do leito.
O tamanho das partículas dispersas das amostras de sedimentos em suspensão foi
caracterizado em função de dois diâmetros característicos, d50 e d90 (Tabela 7). É
importante destacar que, durante a campanha de campo realizada em 2006, as amostras
de sedimentos em suspensão coletadas nos fundeios P1 e P3, foram peneiradas (peneira
#230, malha de 63 µm), e, portanto, sua análise leva em consideração somente a fração
fina, já que foram perdidos os teores de areia da suspensão. No fundeio P6, em ambas as
campanhas, a amostragem de sedimentos em suspensão junto ao fundo foi dificultada
60
pela presença de material muito coesivo (lama fluida), que gerou entupimento da bomba
submersa no ato da coleta dos sedimentos.
Em termos da distribuição longitudinal, as partículas diminuem de tamanho (d50) de P1
(areia fina) a P6 (silte), apresentando maior dispersão (desvio padrão) nos fundeios P1 e
P3 quando comparado ao P5 e P6. A dispersão estaria diretamente relacionada à
presença de maiores conteúdos de areia. Quando comparados com os diâmetros
determinados através da equação de Rouse (página 59), observa-se um comportamento
inverso, com os tamanhos aumentando de P1 a P5. Essa constatação estaria indicando a
presença da floculação no trecho de estudo.
Tabela 7. Composição média, desvio padrão e diâmetros característicos (d50 e d90) das amostras
de sedimentos em suspensão analisadas.
Fundeio
% Argila
% Silte
% Areia
d50 (µm)
d90 (µm)
n° amostras
P1 2006
23 ± 6.0
74.9 ± 5.1
2.1 ± 2.3
9.4 ± 2.6
31.0 ± 11.3
12
P1 2008
7.7 ± 7.0
29.8 ± 25.1
62.5 ± 31.6
142.2 ± 106.2
308.3 ± 154.5
12
P3 2006
21.8 ± 2.5
75.7 ± 1.3
2.5 ± 1.7
9.2 ± 1.4
31.0 ± 8.0
12
P3 2008
15.5 ± 4.0
60.8 ± 13
23.8 ± 16.0
30.8 ± 31.0
117.2 ± 62.4
12
P5 2006
25.6 ± 3.8
73.3 ± 3.4
1.2 ± 1.1
8.3 ± 1.5
26.0 ± 7.0
12
P5 2008
16.1 ± 3.5
73.0 ± 8.6
10.0 ± 7.9
16.0 ± 6.8
82.9 ± 42.9
11
P6 2006
31.3 ± 4.3
68.4 ± 4.0
0.4 ± 0.4
6.2 ± 0.7
16.1 ± 2.3
5
P6 2008
24.2 ± 3.6
67.1 ± 4.7
8.7 ± 6.4
8.4 ± 1.7
46.0 ± 26.5
8
61
100
P1
90
80
70
% acumulada
60
50
40
30
20
10
0
0.1
1.0
10.0
diâmetro [µm]
100.0
1000.0
1.0
10.0
diâmetro [µm]
100.0
1000.0
100
P3
90
80
70
% acumulada
60
50
40
30
20
10
0
0.1
62
100
P5
90
80
70
% acumulada
60
50
40
30
20
10
0
0.1
1.0
10.0
diâmetro [µm]
100.0
1000.0
1.0
10.0
diâmetro [µm]
100.0
1000.0
100
P6
90
80
70
% acumulada
60
50
40
30
20
10
0
0.1
Figura 30. Curva acumulada de tamanho dos grãos das amostras do fundo (curva vermelha) e em
suspensão (curvas azul e verde). As curvas em azul correspondem às amostras de sedimentos em
suspensão coletadas próximas ao fundo, já às curvas em verde, foram coletadas em superfície e
meia profundidade.
63
4.4.3 Sedimentos em suspensão in situ: flocos
A granulometria dos sedimentos foi determinada a partir das medições com LISST-25X
(Sequoia Scientific, Inc.), que caracteriza as amostras em tamanhos que variam entre 2.5
e 500 µm (SEQUÓIA, 2010). Os dados medidos são disponibilizados em arquivos .dat e
usa o SMD (Sauter Mean Diameter) como medida representativa de tamanho das
partículas presentes na suspensão. O SMD ou d32 é definido como o diâmetro de uma
esfera equivalente, ou seja, corresponde a uma esfera com a mesma proporção
volume/área superficial que a partícula de interesse. O equipamento fornece ainda
informações de data, hora e profundidade de operação do instrumento, concentração
volumétrica total e da fração grossa da suspensão (0.1 a 1000 mg/l), SMD total (2.5 a 500
µm) e da parcela composta por sedimentos maiores que 63 µm (63 a 500 µm) e nível de
transmitância do equipamento (0 a 100%). Durante as campanhas realizadas na foz do rio
Amazonas, o LISST foi programado para coletar duas (02) amostras a cada 10s, o que
corresponderia a uma frequência de amostragem de 0.2 Hz. Os dados brutos de tamanho
foram filtrados levando em consideração o valor ótimo de transmitância ótica sugerida
pelo fabricante, ou seja, aquelas medições realizadas entre 30 e 98%.
Os sedimentos presentes na suspensão são compostos de populações de partículas finas
(argila e siltes, 4 < d50 < 63 µm) e/ou grossa (areias, d50 > 63 µm), que podem estar
dispersas ou floculadas. O equipamento utilizado permite a medição do SMD total da
amostra e o SMD da fração > 63 µm. A partir desta informação é possível inferir uma
melhor descrição da amostra em comparação àquela representada apenas pelo SMD
total. A descrição da curva granulométrica no seu conjunto é importante dado que
permite, por exemplo, representar as características bimodais da população, caso
frequente nos sedimentos finos onde há floculação, como será demostrado neste
trabalho.
Para determinar o SMD da fração fina (d < 63 µm), utiliza-se uma manipulação
matemática proposta por FILIPPA et al. (2012), baseada nas informações de
concentração volumétrica e SMD total e da fração grossa fornecida pelo LISST, expressa
pela equação (10):
64
SMD f =
Ct − C g
Cg
Ct
−
SMDt SMD g
(10)
Onde: o subíndice t, f e g corresponde à fração total, fina e grossa da amostra,
respectivamente.
A Figura 31 mostra o exemplo de duas curvas granulométricas para uma suspensão com
duas populações de partículas: finas e grossas, representadas por micro e macroflocos
respectivamente. As partículas finas, dispersas ou em estágio de agregação (microflocos),
seriam representadas na medição com o LISST pelo SMD da fração fina (SMDf).
Enquanto que as partículas grossas (areia) ou já floculadas (macroflocos) seriam
representadas pelo SMD da fração grossa (SMDg). O intervalo de tamanhos
correspondentes às frações finas e grossas é limitado pelo intervalo de detecção de
tamanhos medidos pelo LISST (2.5 a 500 µm).
Microflocos
Fino
Macroflocos
Grosso
SMDf
2.5 µm
SMDg
63 µm
500 µm
Figura 31. Exemplo teórico de um histograma de tamanhos medido in situ para uma amostra
unimodal (mistura de silte e areia) e uma amostra bimodal (com a presença de floculação).
65
Neste trabalho, a partir da comparação dos tamanhos das partículas em suspensão
medidas in situ com o tamanho das partículas dispersas, foi possível identificar uma
evidência da presença da floculação na área de estudo. Para a caracterização das
partículas
dispersas
foram
utilizados
dois
parâmetros
estatísticos
da
curva
granulométrica, d50 e d90. Para aqueles casos onde o d50 é maior que o SMDf, as
medições in situ estariam indicando que a fração fina seria composta de argila ou silte na
forma dispersa. Caso contrário, o d50 indicaria a presença de partículas finas e o SMDf
indicaria a presença de microflocos. Para os casos onde o d90 é maior que o SMD da
fração grossa, as medições in situ estariam indicando que as partículas presentes na
suspensão seriam constituídas de areia na forma dispersa. Caso contrário, o d90 indicaria
a presença de macroflocos em suspensão.
A variação vertical de tamanho das partículas em suspensão medidas nos fundeios P1,
P3, P5 e P6, para 2006 e 2008, está representada na Figura 32, Figura 33, Figura 34 e
Figura 35, respectivamente. Os painéis do lado esquerdo mostram a variação da fração
fina e os da direita da fração grossa. Os símbolos em verde e azul correspondem aos
tamanhos in situ ou SMD na vazante e na enchente, respectivamente. Já o tamanho das
partículas dispersas, representados na figura pelos pontos vermelhos, corresponde ao d50
e d90 da fração fina e grossa, respectivamente. É importante destacar que o material
disperso em suspensão, coletados nos fundeios P1 e P3 sofreu peneiramento durante a
campanha de campo realizada em 2006. Dessa forma, nada se pode inferir sobre o
comportamento da fração grossa nesses fundeios, já que com o peneiramento (peneira
#230), eliminaram-se todas as partículas com diâmetros superiores a 63 µm.
Os tamanhos médios das partículas em suspensão foram estimados a partir da variação
de tamanhos nos perfis médios medidos in situ. Com base em 101 perfis verticais
medidos nas campanhas de campo em 2006 e 2008, os tamanhos médios variaram entre
3 a 30 µm para a fração fina e 60 a 450 µm para a fração grossa. De um modo geral, os
tamanhos são maiores na vazante e no fundo. Esse padrão na distribuição vertical do
tamanho dos sedimentos em suspensão medidos in situ está diretamente relacionado à
hidrodinâmica da região, apresentando maiores correntes e consequentemente maiores
turbulência e concentrações de sedimentos em suspensão na vazante.
66
Quanto à fração fina (3 a 30 µm) observa-se que as mesmas são advectadas pelas
correntes de vazante ao longo do estuário, sendo a vazão fluvial a responsável por essa
advecção nos fundeios P1 e P3 e, a assimetria da maré em P5 e P6. Os perfis de
tamanho da fração fina em suspensão, em ambas as campanhas, apresentaram
tamanhos praticamente homogêneos na vertical, crescendo nas camadas próximas ao
fundo.
No trecho superior (P1 e P3) e na campanha de 2006 (cheia), observa-se uma marcada
distinção entre os perfis verticais de tamanho, com maiores tamanhos associados à
vazante. Essas diferenças não são observadas na seca do rio (2008), já que as
velocidades das correntes não apresentam variação significativa de intensidade entre
enchente e vazante.
No fundeio P5, as diferenças nos tamanhos entre vazante e enchente se deve
exclusivamente às maiores velocidades durante a vazante. Essas diferenças entre os
tamanhos são menores em 2008, quando comparadas a 2006, já que as diferenças entre
os picos de correntes, em 2008, também é menor. No fundeio P6, embora as diferenças
entre correntes de enchente e vazante sejam marcadas, não se observam diferenças
significativas nos tamanhos dos sedimentos em suspensão.
Da comparação entre os tamanhos da partícula dispersa em suspensão e fração fina in
situ pode-se concluir que:
•
Em P1 e P3: as partículas dispersas em suspensão, caracterizadas através do d50,
são da ordem de 20 a 200 µm, ou seja, compostas exclusivamente de silte e
areias finas. Quando estes tamanhos são comparados com o SMDf, verifica-se
que a medição in situ só foi capaz de captar a presença da fração fina (silte) na
suspensão. Como discutido anteriormente, para o ano de 2006, o d50 limita os
tamanhos medidos in situ, já que as amostras coletadas foram previamente
peneiradas;
•
Em P5 e P6, o tamanho das partículas dispersas varia entre 6 e 20 µm e são da
mesma ordem que os tamanhos medidos in situ através do SMDf, indicando a
presença de silte em suspensão;
67
•
Em P6, foi identificada uma deformação no perfil vertical de tamanhos, com
marcada diferença entre o SMDf e o d50 das partículas dispersas para a campanha
de 2006. Isto estaria indicando a presença de microflocos (10 a 30 micrometros
superiores ao tamanho das partículas dispersas, essas inferiores a 10 microns).
Nesta campanha, a cunha salina foi localizada neste ponto. A influência da
salinidade na floculação não foi avaliada, devido à limitação dos dados de
tamanho in situ disponíveis.
A fração grossa (60 a 450 µm) pode ser classificada ao longo do estuário em dois tipos.
Nos fundeios P1 e P3, ela é composta exclusivamente de material dispersos em
suspensão (areia) enquanto que nos fundeios P5 e P6, ela aparece como constituída de
material floculado. Da comparação entre os tamanhos da partícula dispersa em
suspensão e fração grossa in situ pode-se concluir que:
•
Em P1 e P3: as partículas dispersas em suspensão em 2008, caracterizadas
através do d90, variam entre 50 e 650 µm, ou seja, são compostas exclusivamente
de areias. Quando estes tamanhos são comparados com o SMDg, verifica-se que
a medição in situ é capaz de captar a presença de areias em suspensão. Como
discutido anteriormente, para o ano de 2006, as amostras coletadas foram
previamente peneiradas, o que justifica os tamanhos medidos in situ serem
maiores que os dispersos nestes fundeios;
•
Em P5 e P6, quando se comparam os tamanhos dispersos em suspensão, através
do d90, com o SMDg, observa-se a presença de macroflocos (70 a 450 µm) em
suspensão. Isto seria uma evidência da floculação ainda no trecho antes da frente
salina. O d90 varia entre 15 a 30 µm para 2006 e de 25 a 80 µm para 2008,
mostrando a presença de partículas de areia em suspensão em 2008, associada
ao aumento da amplitude de maré e consequentemente das correntes.
Não foi possível identificar diferenças nos tamanhos in situ entre enchente e vazante nos
fundeios P1 e P3. Apesar de existirem partículas dispersas de areia na suspensão não foi
identificada, com as medições com o LISST, quantidade significativa de partículas
grossas em suspensão que justifique discutir diferenças entre enchente e vazante.
Mesmo com a limitação nas medições do SMDg, verifica-se maior quantidade de areia na
vazante (maiores velocidades) quando comparado a enchente, para ambos os fundeios.
68
Em 2008, também não se observam diferenças marcadas nos tamanhos entre a enchente
e vazante, já que as magnitudes das velocidades entre enchente e vazante são menos
significativas que em 2006. A forma do perfil mostra uma tendência de aumento dos
tamanhos em profundidades próximas ao fundo, como observado para a fração fina.
A variação vertical de tamanho dos flocos, para 2006 e 2008, está mostrada na Figura 34
e Figura 35 para P5 e P6, respectivamente. Da análise destas figuras observa-se que os
flocos em suspensão, caracterizados pelo SMDg, são maiores na vazante quando
comparados à enchente em ambas as campanhas devido à dominância de vazante nas
correntes.
A Figura 36 mostra a variação vertical e temporal do tamanho dos flocos ao longo do ciclo
da maré, para o fundeio P5 nas campanhas de 2006 e 2008. Os flocos medidos em P5,
na campanha de 2006, variam de 90 a 200 µm e de 150 a 400 µm para enchente e
vazante respectivamente. Quanto à distribuição vertical, na vazante, os flocos em
superfície variam entre 150 e 400 µm e entre 90 e 300 µm no fundo. Na enchente,
observou-se homogeneidade de tamanhos na vertical, com flocos variando entre 90 e 200
µm. Em 2008, os flocos medidos variaram entre 70 e 190 µm na enchente e entre 100 e
200 µm na vazante, com perfis homogêneos na vertical em ambos os casos. Nas estofas,
observa-se homogeneidade de tamanhos dos flocos na vertical, com tamanhos médios
variando entre 100 e 150 µm tanto para 2006 quanto para 2008. A variabilidade na vertical
dos tamanhos dos flocos, observada para o fundeio P5 na Figura 36, estaria diretamente
relacionado à variabilidade vertical das velocidades das correntes e da concentração de
sedimentos em suspensão, com perfis estratificados nas máximas velocidades (E e V) e
homogêneos nas estofas, com tamanhos de 150 µm.
Os flocos medidos em P6, na campanha de 2006, variam entre 60 e 400 µm tanto para
vazante quanto para enchente com tamanhos em superfície variando entre 200 e 450 µm.
No fundo, essa variação é de 60 a 200 µm na vazante e de 60 a 450 µm na enchente. Em
2008, os flocos variam de 70 a 200 µm na enchente e de 100 a 300 µm na vazante, com
tamanhos no fundo da ordem de 100 a 200 µm. Em superfície, os flocos medidos variam
entre 70 a 100 µm na enchente e 100 a 300 µm na vazante. É importante ressaltar que a
pouca disponibilidade de perfis medidos pelo LISST em P6 relaciona-se a presença de
elevadas concentrações de sedimentos nas profundidades próximas ao fundo.
69
E
V
E
d50
d90
V
2006
2006
E
d50
d90
V
V
E
2008
2008
Figura 32. Variação na vertical dos tamanhos dos sedimentos em suspensão no fundeio P1. Os tamanhos
medidos in situ são separados em frações finas e grossas, mostrados nos painéis do lado esquerdo e
direito respectivamente. Os painéis superiores correspondem aos tamanhos em 2006 e os inferiores em
2008. Os círculos azuis referem-se aos dados coletados na enchente e em verde na vazante. Os pontos
vermelhos se referem aos tamanhos das partículas dispersas representados pelo d50 para a fração fina e
d90 para a fração grossa.
70
V
d90
V
E
E
d50
2006
2006
d50
d90
V
V
E
E
2008
2008
Figura 33. Variação na vertical dos tamanhos dos sedimentos em suspensão no fundeio P3. Os tamanhos
medidos in situ são separados em frações finas e grossas, mostrados nos painéis do lado esquerdo e
direito respectivamente. Os painéis superiores correspondem aos tamanhos em 2006 e os inferiores em
2008. Os círculos azuis referem-se aos dados coletados na enchente e em verde na vazante. Os pontos
vermelhos se referem aos tamanhos das partículas dispersas representados pelo d50 para a fração fina e
d90 para a fração grossa.
71
V
E
d90
V
d50
E
2006
2006
V
d50
d90
E
V
E
2008
2008
Figura 34. Variação na vertical dos tamanhos dos sedimentos em suspensão no fundeio P5. Os tamanhos
medidos in situ são separados em frações finas e grossas, mostrados nos painéis do lado esquerdo e
direito respectivamente. Os painéis superiores correspondem aos tamanhos em 2006 e os inferiores em
2008. Os círculos azuis referem-se aos dados coletados na enchente e em verde na vazante. Os pontos
vermelhos se referem aos tamanhos das partículas dispersas representados pelo d50 para a fração fina e
d90 para a fração grossa.
72
E
V
d90
d50
V
E
2006
2006
E
d90
V
E
d50
V
2008
2008
Figura 35. Variação na vertical dos tamanhos dos sedimentos em suspensão no fundeio P6. Os tamanhos
medidos in situ são separados em frações finas e grossas, mostrados nos painéis do lado esquerdo e
direito respectivamente. Os painéis superiores correspondem aos tamanhos em 2006 e os inferiores em
2008. Os círculos azuis referem-se aos dados coletados na enchente e em verde na vazante. Os pontos
vermelhos se referem aos tamanhos das partículas dispersas representados pelo d50 para a fração fina e
d90 para a fração grossa.
73
Tamanho (µm)
P5 2006
PM
BM
Tamanho (µm)
P5 2008
BM
PM
Figura 36. Variação do tamanho dos flocos ao longo do ciclo de maré para o fundeio P5 em 2006
(painel superior) e 2008 (painel inferior). A maré está representada pela curva em superfície e são
indicadas as estofas (PM e BM).
74
4.5
Discussão: floculação no estuário do rio Amazonas
A floculação no estuário do Rio Amazonas acontece no trecho localizado após o
alargamento do canal de navegação, sendo verificada, a partir de medições in situ nos
fundeios P5 e P6. A floculação neste trecho do estuário está favorecida pelas mudanças
no regime hidrodinâmico geradas tanto pelo alargamento do canal quanto pelo encontro
do escoamento fluvial com a circulação estuarina. Esta região se caracteriza por
apresentar, no sentido longitudinal (de P1 a P5): intensificação da turbulência com taxas
de cisalhamento variando entre 20 e 45 s-1; aumento nas concentrações de sedimentos
com concentrações na superfície que variam entre 0.05 (valor típico de concentrações no
trecho fluvial) e 0.23 g/l; advecção do material em suspensão pelas correntes de vazante,
com deposição das areias e aumento da fração fina em suspensão. A floculação no
estuário do Rio Amazonas se dá em uma região antes da influência da frente salina, entre
P3 e P5, como resultado da combinação das características mencionadas anteriormente.
Provavelmente a influência da salinidade intensificaria o processo de floculação no
estuário, já que se observam flocos maiores, em superfície, em P6 quando comparados à
P5.
A variabilidade de tamanho dos flocos ao longo do ciclo de maré foi investigada para o
fundeio P5, onde foram medidos flocos de tamanhos variando de 70 a 200 µm na
enchente e de 100 a 400 µm na vazante. As variações nas magnitudes taxas de
cisalhamento, menores nas estofas e maiores nas máximas velocidades, afetam
diretamente as concentrações de sedimentos em suspensão e consequentemente, os
tamanhos dos flocos (maiores na vazante). Quanto à variabilidade vertical, os maiores
flocos foram medidos em superfície e estão diretamente relacionados à presença de
menores concentrações em superfície.
Resumindo, a variabilidade temporal de tamanho dos flocos ao longo do ciclo de maré
apresenta relação direta com a turbulência e a concentração de sedimentos em
suspensão. Por outro lado, quando se avalia a variabilidade na vertical, essa relação
passa a ser inversamente proporcional com as concentrações de sedimentos em
suspensão. O comportamento das concentrações depende das correntes, com
ressuspensão de sedimentos do fundo nas máximas velocidades. O papel de cada uma
75
das variáveis na dinâmica da floculação para a região de estudo será avaliado
experimentalmente.
Da comparação entre as campanhas realizadas entre 2006 e 2008, verifica-se que os
maiores flocos foram medidos em 2006 (90 a 400 µm) quando comparado a 2008 (70 a
200 µm). A relação direta da turbulência (G) com os diâmetros não explicaria a presença
de flocos maiores em 2006, já que a maior turbulência foi medida em 2008. Com isso,
pode-se inferir que haja uma taxa de cisalhamento limite para o crescimento dos flocos, a
partir da qual, verifica-se a quebra das estruturas. Ainda em 2008, foram registradas
concentrações de sedimentos mais elevadas que em 2006, com valores em superfície
variando entre 0.23 e 0.12 g/l, respectivamente.
76
5
EXPERIMENTOS DE FLOCULAÇÃO EM LABORATÓRIO
Como discutido no capítulo 3, a floculação é governada pelas variáveis físicas (taxa de
cisalhamento, G e concentração de sedimentos em suspensão, C) do sistema e pelas
propriedades físico-químicas (composição, teor de matéria orgânica, pH e salinidade) da
suspensão. As primeiras afetam principalmente a frequência de colisão e tensões nos
flocos e as últimas, influenciam a eficiência de colisão entre partículas e resistência dos
flocos.
Além das dificuldades inerentes às medições in situ de flocos, as mesmas se realizam em
geral de forma Euleriana, ou seja, através da observação das partículas que passam ao
longo do tempo pelo ponto de medição. O conhecimento da história do material em
suspensão, de partícula primária a agregado de partículas, é importante e possibilita uma
inferência do comportamento dos flocos ao longo do tempo. Desta forma, estudos
experimentais que possibilitem avaliar a evolução temporal dos flocos e o isolamento de
cada variável atuante no sistema são importantes para os estudos de floculação. A
influência de cada uma das variáveis (G e C) na cinética de crescimento dos flocos, para
as condições hidrodinâmicas observadas na área de estudo, são avaliadas a partir da
utilização de experimentos em laboratório. Assim, se pôde observar e quantificar, de
forma independente, a influência de cada uma das variáveis do sistema, já que os ensaios
são realizados em condições hidrodinâmicas homogêneas e controladas.
Os parâmetros característicos da área de estudo, discutidos e apresentados no capítulo 3,
foram caracterizados, a partir da análise dos dados de velocidade das correntes,
concentração e tamanho de sedimentos em suspensão além de informações de nível
d’água, vazão fluvial e tamanho de partículas dispersas em suspensão. Algumas
informações foram estimadas a partir dos dados coletados, dentre elas destacam-se a
velocidade de atrito ( u* ), turbulência (G) e velocidade de queda das partículas ( ws ). A
análise dos dados de tamanho de partículas em suspensão permitiu que se constatasse a
presença de flocos e, quando correlacionados com as informações obtidas com
caracterização hidrodinâmica, em que condições esse processo é favorecido.
77
Dos trabalhos disponíveis na literatura que tratam de estudos de floculação desenvolvidos
em laboratório, quatro dispositivos experimentais têm sido utilizados: floculador de disco
(LICK et al., 1993; TRENTO, 2005), floculador Couette (GIBBS, 1985; SERRA et al.,
1997; SERRA et al., 1998a,b; COUFORT et al., 2005; TRENTO, 2005; SERRA et al.,
2008), jarras de mistura (LOGAN e KILPS, 1995; SPICER e PRANTSINIS, 1996; SPICER
et al., 1996; LI e LOGAN, 1997; SERRA et al., 1998a,b; BOYER et al., 2001; COUFORT
et al., 2005; SERRA et al., 2008; MIETTA et al., 2009; MIETTA, 2010) e coluna de
floculação com grade oscilatória (VAN LEUSSEN, 1994; MAGGI et al., 2002; MAGGI,
2005; SERRA et al., 2008; MIETTA, 2010). Esses dispositivos simulam a floculação por
tensões de cisalhamento, nos caso do Couette, jarras de mistura e grade oscilatória, e por
sedimentação diferencial, no caso do floculador de disco.
Nesta tese, foi utilizado o floculador do tipo jarras de mistura para simular, em laboratório,
a floculação induzida por tensões cisalhantes. Esse mecanismo de floculação é típico de
regiões estuarinas e, portanto, foram utilizadas as condições hidrodinâmicas observadas
em campo, através da taxa de cisalhamento calculada. Foram realizados dois tipos de
ensaios: em condições de equilíbrio6 e em desequilíbrio dos flocos. A evolução temporal
da distribuição volumétrica de tamanho dos flocos monitorada durante o processo de
floculação. O objetivo é identificar o comportamento dos flocos, com os ensaios em
condições de equilíbrio, e sua variabilidade ao longo do ciclo de maré, com os ensaios em
desequilíbrio. Pretende-se investigar ainda a influência da taxa de cisalhamento (G) e da
concentração de sedimentos em suspensão (C) como principais agentes governantes da
floculação, determinar ainda o diâmetro e o tempo de equilíbrio para as diferentes
condições ensaiadas e relacionar as informações obtidas com os dados coletados em
campo (diâmetros in situ e tempo de residência das partículas). Inicialmente será
apresentada uma breve descrição do arranjo experimental seguida da caracterização do
material utilizado.
6
A condição de equilíbrio é definida como condição estacionária, ou seja, sem variação do
tamanho do floco (d90) ao longo do tempo.
78
5.1
Arranjo experimental
A configuração do arranjo experimental utilizado já é conhecida e testada por outros
autores (MIETTA, 2010). Este arranjo consiste em um circuito fechado composto pelas
jarras de mistura, bomba peristáltica e Malvern Mastersizer 2000 (Figura 37). A conexão
entre os dispositivos citados é feita com o auxílio de mangueiras de silicone, todas com
diâmetro interno de 4 mm, garantindo que não haja dano a estrutura dos flocos gerados.
Célula de
medição
UD
bomba
Jar test
Figura 37. Arranjo experimental utilizado composto por um circuito fechado para recirculação da
amostra (setas em vermelho) pelo dispositivo de medição.
Neste arranjo, a suspensão flocula sob tensões cisalhantes, quando submetida à
influência da rotação da pá das jarras de mistura. Em intervalos de tempo pré-definidos, e
com o auxílio da bomba peristáltica, a suspensão é recirculada pela célula de medição do
Malvern Mastersizer, obtendo-se assim, a distribuição volumétrica de tamanho da
suspensão por difração a laser (intervalo de medição de 1 µm a 2mm). A amostra é
recirculada e reintroduzida nas jarras de mistura, sem que haja interferência manual
durante a amostragem. A amostragem é realizada a cerca de 2 cm abaixo da superfície
da água, visando reduzir os efeitos da zona de atuação da pá sob os flocos.
79
Um requisito importante nos estudos experimentais que simulam a geração de flocos, é
que, ao se iniciar o ensaio, a suspensão esteja totalmente dispersa, ou seja, composta
somente de partículas primárias ou individuais. Nesta tese, essa dispersão se deu na
unidade de dispersão do Malvern (UD), com a suspensão sendo submetida à agitação em
altas velocidades de rotação (4000 rpm), induzida pela bomba do equipamento, por um
período de 3 minutos. Não foi utilizado ultrassom para a desagregação da amostra, como
procedimento padrão.
Para conhecer as limitações da metodologia a ser utilizada e, assim aperfeiçoar o
procedimento padrão, testes preliminares foram realizados. Foram testadas a natureza da
amostra (seca versus natural), geometria da jarra (retangular versus cilíndrica), o método
de dispersão (UD do Malvern versus jarra) e a velocidade de rotação da bomba
peristáltica (20, 35 e 45 rpm). Foi estudada ainda a hidrodinâmica no interior das jarras de
mistura a partir da distribuição espacial do gradiente de velocidades, através de medições
com um micro velocímetro doppler. Os resultados dos testes preliminares serão discutidos
após uma breve descrição dos equipamentos que compõem o arranjo experimental.
5.2
Floculador do tipo jarra de mistura
O floculador do tipo jarras de mistura simula a dinâmica da floculação por tensões de
cisalhamento. A turbulência no interior das jarras, a qual a suspensão é submetida
durante o ensaio de floculação, é gerada por meio de uma hélice propulsora. Na Figura
37, mostra-se o dispositivo disponível no LDSC (modelo LBC 218/06, Nova Ética) e
utilizado nesta tese. O floculador possui 06 (seis) jarras retangulares com capacidade
para 2 litros de suspensão (120 x 120 x 200 mm e 75 mm de altura de água) equipada
com 1 pá (75 mm de largura e 25 de altura, localizada a 80 mm do fundo das jarras), que
aumenta e homogeneíza a taxa de cisalhamento. O sistema original foi modificado
diminuindo a distância da pá ao fundo da jarra, de 8 para 1cm, visando reduzir a
sedimentação do material comum nas baixas velocidades de rotação. O equipamento
conta ainda com um circuito que permite que a velocidade de rotação das pás seja
programada tanto manual quanto automaticamente, possibilitando assim que as
velocidades sejam constantes ou variáveis no tempo. A velocidade de rotação pode ser
fixada entre 20 e 600 rpm, o que corresponde a gradientes de velocidades variando entre
80
10 e 2000 s-1. A faixa de velocidades utilizadas nos experimentos desenvolvidos nesta
tese variou de 20 a 120 rpm, correspondendo a G de 10 a 142 s-1.
A hidrodinâmica dentro das jarras e consequentemente, as características da mistura
obtida não são bem conhecidas, e alguns autores questionam a eficiência deste tipo de
floculador para caracterizar a formação dos flocos (SERRA et al., 2008). A mistura gerada
no interior das jarras não é uniforme e conta com uma zona de forte turbulência localizada
próxima à área de atuação das pás (COUFORT et al., 2005). Segundo esses autores, a
baixa eficiência na mistura promoveria concentrações heterogêneas de sedimentos em
suspensão e deposição de material nas baixas rotações, além de condições
heterogêneas nos tamanhos dos flocos produzidos. Segundo SERRA et al. (2008) a
heterogeneidade, inerente à mistura gerada no interior das jarras, produziria agregados
mais frágeis que aqueles produzidos no Couette. Assim sendo, conhecer a variabilidade
espacial do escoamento no interior das jarras permitiria uma identificação mais precisa
das condições da mistura e sua relação com o tamanho dos flocos produzidos. A
identificação das zonas de maior e menor dissipação de energia embasa a escolha dos
pontos ideais para a realização da amostragem dos flocos, em locais onde não se
verifiquem condições extremas.
Para avaliar a influência da hidrodinâmica, no processo de geração dos flocos, é
necessário investigar a distribuição da taxa de cisalhamento no interior das jarras de
mistura. A hidrodinâmica global7 foi avaliada empregando a metodologia proposta por
NAGATA (1975), que estima a taxa média de cisalhamento a partir da velocidade de
rotação da pá e de relações geométricas entre a jarra e a pá. A hidrodinâmica local é
resultado de um estudo experimental, onde medições de turbulência foram realizadas
utilizando um micro perfilador acústico doppler. Detalhes dos resultados dos estudos
sobre hidrodinâmica no interior das jarras será apresentado a seguir.
7
Foi definida como hidrodinâmica global àquela referente ao valor médio de cisalhamento
calculado através da metodologia de Nagata (1975).
81
5.2.1 Hidrodinâmica global em jarras de mistura
O cálculo da taxa média de cisalhamento (G) foi proposto por NAGATA (1975) e sua
estimativa é feita através da taxa média de dissipação de energia cinética calculada em
função da potência do agitador, expressa pelo número de potência (Np) (equação 11). A
potência global do agitador é função da velocidade de rotação (N) e da relação de
parâmetros geométricos entre a jarra e a pá, e é obtido através de formulações derivadas
de estudos experimentais em jarras cilíndricas, com a utilização de diferentes tipos e
número de pás.
G global =
N p N 3d 5
(11)
Vν
Onde d é o diâmetro da pá utilizada e V o volume da suspensão no interior da jarra.
Segundo a formulação de NAGATA (1975), o número de potência (Np) independe da
distância da pá em relação ao fundo da jarra. As relações geométricas utilizadas no
cálculo do Np são relações de largura ( d D ) e altura ( b D ) entre jarras e pás, além da
relação entre altura de água e largura da jarra ( H D ). As letras maiúsculas
correspondem às medidas geométricas das jarras e as minúsculas as da pá. Para o
experimento proposto nesta tese, as relações geométricas utilizadas foram d D = 0.6 e
b D = 0.2 .
A Figura 38 mostra a curva de calibração para a taxa média de cisalhamento (G, entre 10
e 1000 s-1) fornecida pelo fabricante, sem qualquer informação do volume de suspensão
utilizado para a calibração do floculador. Para avaliar a confiabilidade da curva fornecida
pelo fabricante, partiu-se da metodologia proposta por NAGATA (1975), e se construiu
uma curva adicional considerando 1 litro de suspensão e diâmetro da jarra, supostamente
circular, igual à largura da jarra retangular (120 mm). A curva construída se aproxima
daquela fornecida pelo fabricante, apresentando diferenças, nas altas rotações, que
podem estar relacionadas a diferenças na geometria das jarras. Os experimentos
realizados nessa tese não sofrem influência das divergências observadas entre a
82
velocidade do agitador, para as duas curvas, já que essas diferenças se tornam mais
consideráveis em uma faixa de rotação superior à trabalhada, ou seja, G inferior a 100 s-1.
1000
Fabricante
rotação agitador (rpm)
Jarra 1l (Nagata)
100
10
10
100
G (s-1)
1000
Figura 38. Curva de calibração para o Jar test. A linha preta corresponde a curva fornecida pelo
fabricante em seu manual de instruções. A curva cinza foi construída a partir da metodologia de
NAGATA (1975) considerando a jarra com 1 litro de suspensão.
5.2.2 Hidrodinâmica local em jarras de mistura
Os estudos que tratam da caracterização local da turbulência no interior das jarras de
mistura são fruto de uma parceria com o Instituto de Mecanica de los Fluidos e Ingenieria
Ambiental (IMFIA), da Universidad De La Republica (UDELAR) no Uruguai, no âmbito do
projeto CAPES/UDELAR8. O objetivo é estimar a taxa média de cisalhamento (G), e
consequentemente as escalas locais de turbulência que limitam o crescimento dos flocos
(escala de Kolmogorov, η), a partir da utilização de um micro perfilador acústico de
velocidades (UVP – DUO 4 MHz, Ultrasonic Velocity Profiler, Met-Flow SA).
O jar test utilizado pertence ao Departamento de Engenharia Ambiental do IMFIA (Figura
39). A jarra, de iguais dimensões das disponíveis no LDSC, tem seção transversal
quadrada com 120 mm de lado (D). Foi utilizado 1 litro de suspensão, o que corresponde
8
Projeto 026/10 – Transporte de sedimentos coesivos em estuários de grande escala. Estudo
comparativo Rio amazonas e Rio de La Plata.
83
a 75 mm de altura de água (H). As pás tinham 75 mm de diâmetro (d) e 25 mm de altura
(w) e estavam localizadas a 10 mm do fundo das jarras (h).
UVP
Jarra
Sensores
acústicos
Figura 39. Jar test utilizado nos experimentos com UVP.
O UVP é constituído de 4 sensores que permitem medições das componentes
longitudinais de velocidades. As medições, externas à jarra, foram realizadas através da
parede de acrílico para determinação das componentes horizontais de velocidade. As
componentes verticais foram obtidas realizando-se medições perpendiculares à superfície
da água. Para a caracterização da hidrodinâmica local, o campo de fluxo foi mapeado
utilizando uma malha amostral (Figura 40) composta de 24 pontos laterais e 09 verticais.
Considerou-se fluxo simétrico no interior da jarra, como mostrado na Figura 40, com as
medições horizontais sendo realizadas em uma única face da jarra e as verticais em um
quadrante. Durante as medições com o UVP, não foram utilizados sedimentos naturais,
somente talco e esferas de vidro ocas para dar contraste entre a suspensão e o acrílico,
como artifício para melhorar o sinal acústico captado pelo equipamento. Dessa forma, não
foi possível identificar sedimentação do material durante o experimento.
A hidrodinâmica foi caracterizada para 3 diferentes velocidades de rotação das pás, 30,
60 e 120 rpm, o que equivale a 0.5, 1 e 2 voltas por segundo, respectivamente. No total,
para os 3 experimentos considerados, foram realizados 33 medições, com 24 pontos
horizontais e 9 verticais. Em cada ponto, as medições foram realizadas durante 3 minutos,
a uma taxa de 20 ms, o que corresponde a obter 100, 50 e 25 amostras por volta em
função das três velocidades de rotação consideradas (30, 60 e 120 rpm).
84
A
B
C
D
R
V
E
F
G
H
S
W
I
J
L
M
T
X
N
O
P
Q
U
Y
A
B
C
D
E
F
G
H
I
Figura 40. Malha amostral utilizada nas medições com UVP. O painel superior mostra a posição da
pá em fase 0 e corresponde aos 24 pontos utilizados para determinação das componentes
horizontais de velocidades e o painel inferior aos 9 pontos utilizados para determinação das
componentes verticais de velocidades.
A partir das medições com o UVP foram obtidos o fluxo médio e as flutuações médias
turbulentas para todas as fases temporais de uma volta média empregando a mesma
metodologia de PEDOCCHI e GARCIA (2009). A partir da velocidade de rotação das pás
(30, 60 e 120 rpm), foram medidas 90, 180 e 360 voltas respectivamente. A volta média
foi definida então como a média do número de voltas relacionada à velocidade de rotação
da pá. A condição inicial para todos os ensaios era que a pá estivesse normal aos
sensores laterais de medições (fase 0, correspondente a posição da pá mostrada na
85
Figura 40), para facilitar a identificação do início de movimento, já que as medições com o
UVP começavam antes que o teste fosse iniciado.
As flutuações de velocidades (horizontais, u ' e verticais, w ' ) foram consideradas como
representativas da turbulência no interior das jarras. Assim sendo, as taxas de dissipação
local da energia cinética turbulenta (ε) foram calculadas a partir dessas flutuações
medidas, considerando a dissipação cinética da energia turbulenta (TKE) e a simetria
horizontal do fluxo ( u ' = v ' ).
ε=
(
1
2u′ 2 + w′ 2
2
)
(12)
Já a taxa de cisalhamento local e a microescala de Kolmogorov (η), foram estimados
através da dissipação e da viscosidade cinemática expressas pela equação (2).
Foi analisada a distribuição temporal, para quatro fases da volta média ( 0,
π
2
,πe
3π
)e
2
espacial, para três planos em profundidade (a 1, 3 e 5 cm da parede da jarra), da
velocidade horizontal, vertical, a taxa de cisalhamento local e escala de Kolmogorov. A
Figura 41, Figura 42 e Figura 43 mostra a distribuição do G no interior das jarras para as
três velocidades de rotação analisadas, as quatro fases da volta média e em um plano
distante 3 cm da parede da jarra. A escolha do segundo plano em profundidade (3 cm)
consiste em representar uma condição ideal, onde os efeitos da interferência da pá no
escoamento e geração de recirculação próxima à parede são minimizados. O primeiro
efeito foi mais evidente a 5 cm e o segundo a 1 cm de distância da parede da jarra.
Observou-se que tanto o fluxo médio quanto à distribuição do G podem ser consideradas
como simétricas em relação ao eixo do agitador. A distribuição da dissipação turbulenta e
as características hidrodinâmicas não são uniformes no interior da jarra, com maior
turbulência na zona de influência das pás. A distribuição dos parâmetros locais (ε e G) se
mostrou independente das fases temporais da rotação da pá.
86
Os valores globais e locais da taxa de cisalhamento obtidos são mostrados na Tabela 8.
Da comparação conclui-se que os valores locais são superiores aos globais, exceto fora
da zona de influência da pá, nas regiões próximas à parede e na superfície livre. Nessas
regiões, foram observadas semelhanças entre os valores locais e globais de dissipação.
Os resultados obtidos mostraram que a dissipação e consequentemente a mistura no
interior da jarra não é uniforme. A partir do mapa de distribuição de dissipação obtido,
determinou-se o ponto ideal de amostragem no interior da jarra. Com o propósito de
limitar a influência da pá no tamanho dos flocos, associado ao fato de que há semelhança
entre o cisalhamento local e global na superfície da jarra, optou-se por realizar a
amostragem a 2 cm abaixo da superfície livre.
Tabela 8. Variações dos parâmetros globais (calculado segundo Nagata, 1975) e locais (medidos)
obtidos nos experimentos.
Rotação (rpm)
Global
-1
Local
-1
G médio (s )
η (µm)
G (s )
η (µm)
30
19
299
38 - 240
65 – 162
60
52
139
66 - 304
57 – 123
120
142
84
133 - 433
48 – 99
87
G (s-1)
G (s-1)
G (s-1)
G (s-1)
Figura 41. Distribuição da taxa de cisalhamento (G) no interior das jarras de mistura para
velocidade de rotação da pá igual a 30 rpm. Os eixos indicam a dimensão horizontal (12 cm) e
vertical (7.5 cm) da jarra. Fases da volta média ( 0,
π
2
,πe
3π
) em sentido horário. A posição da
2
pá para cada fase da volta média está representada nas figuras pelas linhas pretas.
88
G (s-1)
G (s-1)
G (s-1)
G (s-1)
Figura 42. Distribuição da taxa de cisalhamento (G) no interior das jarras de mistura para
velocidade de rotação da pá igual a 60 rpm. Os eixos indicam a dimensão horizontal (12 cm) e
vertical (7.5 cm) da jarra. Fases da volta média ( 0,
π
2
,πe
3π
) em sentido horário. A posição da
2
pá para cada fase da volta média está representada nas figuras pelas linhas pretas.
89
G (s-1)
G (s-1)
G (s-1)
G (s-1)
Figura 43. Distribuição da taxa de cisalhamento (G) no interior das jarras de mistura para
velocidade de rotação da pá igual a 120 rpm. Os eixos indicam a dimensão horizontal (12 cm) e
vertical (7.5 cm) da jarra. Fases da volta média ( 0,
π
2
,πe
3π
) em sentido horário. A posição da
2
pá para cada fase da volta média está representada nas figuras pelas linhas pretas.
90
5.3
Experimentos de floculação em laboratório
O sedimento empregado nos experimentos desenvolvidos nesta tese é proveniente de
uma amostra de fundo, coletada na ZMT, entre os fundeios P5 e P6 (Figura 1), durante a
campanha realizada em julho de 2007. Parte dessa amostra foi refrigerada, preservando
suas características naturais, e outra parte seca em estufa e macerada. Todos os
experimentos foram realizados fazendo uso de água destilada.
A simulação em laboratório da floculação observada in situ foi realizada utilizando valores
representativos de concentração e taxa de cisalhamento extraídos da análise dos dados
coletados em campo. A taxa de cisalhamento varia entre 10 e 94 s-1 e as concentrações
variam entre 0.05 e 0.5 g/l, sendo o primeiro valor da ordem das concentrações no trecho
fluvial e o segundo próximo à ZMT (Tabela 9).
Tabela 9. Magnitudes dos parâmetros utilizados nos experimentos de laboratório.
Parâmetro
-1
Magnitude
G(s )
10, 19, 29, 46, 52, 58, 65, 79 e 94
C (g/l)
0.05, 0.1, 0.2, 0.3 e 0.5
Para melhor comparação entre os resultados obtidos, os ensaios realizados devem partir
de uma mesma condição inicial, ou seja, de uma suspensão igualmente desagregada.
Uma inferência da concentração de partículas presentes na suspensão pode ser obtida
pelo parâmetro de obscuração9 fornecido pelo Malvern. Para uma suspensão
desagregada tem-se maior número de partículas, e consequentemente máxima
obscuração. Com a agregação, o número de partículas diminui em detrimento ao
crescimento dos flocos, diminuindo assim a obscuração. Segundo o fabricante, o ideal é
que se tenha obscuração variando entre 5 e 20%, mas esse critério não inviabiliza a
medição com obscuração superiores às indicadas. Nesta tese, trabalhou-se dentro de um
limite aceitável da obscuração, com os valores variando entre: 6.7 e 14.3% para 0.05 g/l,
12.3 e 13.4% para 0.1 g/l, 20.7 e 26.11% para 0.2 g/l, 29.1 e 31.7% para 0.3 g/l e 34.9 e
52.3% para 0.5 g/l.
9
A obscuração do laser é definida como a quantidade de luz perdida através da sua passagem
pela suspensão para uma dada concentração.
91
O pico dos histogramas volumétricos das suspensões, independente da concentração
utilizada, variou entre 5.5 e 9.0 µm, sendo 6.7 µm em média. Essa variação dos picos
corresponde a uma variação no d90 de 27 a 46 µm, sendo 37 µm em média.
6
0.05 g/l - amarelo
0.1 g/l - ciano
0.2 g/l - marrom
0.3 g/l - azul
0.5 g/l - magenta
5
Conc. Vol
4
3
2
1
0
0.1
1
10
Tamanho (µm)
100
1000
Figura 44. Condição inicial da suspensão em função da concentração para os experimentos de
floculação realizados. A escala de cores utilizada é função da concentração de sedimentos da
suspensão e está mostrada na legenda.
5.3.1 Testes preliminares
A floculação observada em campo, a partir de análise de dados de tamanho de
sedimentos em suspensão coletados com LISST-25X, foi caracterizada por uma curva
granulométrica bimodal. Essa bimodalidade é representada no histograma volumétrico de
distribuição de tamanhos dos flocos pela presença de dois picos: um menor associado à
presença de partículas dispersas ou em fase de agregação (microflocos), e um maior
associado à presença de partículas floculadas (macroflocos). Com a evolução temporal
das distribuições de tamanhos, observa-se um balanço entre os picos, com a diminuição
do pico associado a partículas finas e o aumento do pico referente a partículas floculadas.
A evolução do crescimento dos flocos foi avaliada, nesta tese, a partir da utilização do
histograma volumétrico de tamanho. O tamanho dos flocos foi caracterizado pelo d90 da
92
suspensão, pois essa variável representa a faixa de variação do segundo pico (associado
aos flocos) do histograma volumétrico.
Os seguintes testes foram realizados visando otimizar o arranjo experimental. Um
primeiro teste consistiu em avaliar a influência da natureza da amostra na distribuição de
tamanhos obtida quando submetidas à dispersão (Figura 45). Para tanto, duas amostras
provenientes da zona de máxima turbidez foram testadas: uma amostra em estado natural
e outra seca em estufa e macerada. Ambas as amostras sofreram peneiramento com a
peneira 230 (malha de 63 µm). As amostras foram submetidas à dispersão, na UD do
Malvern, com a bomba a uma velocidade de 4000 rpm por cerca de 3 minutos. A
distribuição de tamanhos obtida após a dispersão das amostras está mostrada na Figura
45.
Com a dispersão, 97% das partículas da amostra natural são mais finas que 70 µm e o
diâmetro mediano (d50) obtido é da ordem de 8 µm. Já para a amostra seca, 98% das
partículas são mais finas que 70 µm e o d50 é da ordem de 12 µm. As diferenças entre os
tamanhos das partículas dispersas entre ambas as amostras, indica uma maior
dificuldade em desagregar as amostras seca em estufa.
6
Seca
Natural
5
Conc. Vol
4
3
2
1
0
0.1
1
10
Tamanho (µm)
100
1000
Figura 45. Distribuição de tamanho para avaliar a natureza das amostras utilizadas nos ensaios de
floculação.
93
Um segundo teste consistiu em avaliar a influência da geometria da jarra (retangular
versus circular) nos resultados. O jar test utilizado é composto por jarras retangulares,
cujas dimensões já foram apresentadas anteriormente. a metodologia para calcular a
turbulência no interior das jarras de mistura proposta por NAGATA (1975) é baseada em
ensaios com jarras cilíndricas, assim, foi utilizado um béquer com capacidade para 1 litro
de suspensão, com diâmetro da mesma ordem que a largura da jarra retangular.
O experimento consistiu em utilizar a mesma amostra, sujeita à mesma preparação inicial
e monitorar por 7 horas, através de medições com Malvern, a evolução temporal da
distribuição de tamanho. A Figura 46 mostra o tamanho das partículas presentes na
suspensão no final de 7 horas de ensaio. Observou-se uma diferença de cerca de 5 µm
nas distribuições volumétricas de tamanhos entre as jarras retangular e cilíndrica,
relacionadas ao pico correspondente às partículas floculadas, com variação no d90 de 3%
(Figura 47), indicando diferenças pouco significativas.
6
Retangular
5
Cilíndrica
Conc. Vol
4
3
2
1
0
0.1
1
10
Tamanho (µm)
100
1000
Figura 46. Distribuição volumétrica de tamanhos ao final de 7 horas de experimento para diferentes
-1
formas da jarra (G = 52 s ).
94
d90 (µm)
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
Retangular
Cilíndrica
0
2
4
t (h)
6
8
Figura 47. Evolução temporal do d90 da suspensão para diferentes formas de jarra.
O terceiro teste consistiu em utilizar amostra natural e avaliar a eficiência do método de
dispersão na desagregação. Foram comparadas as distribuições de tamanhos obtidas
imediatamente após a dispersão da amostra (Figura 48), tanto na UD do Malvern quanto
nas jarras de mistura. Para dispersão na UD, a amostra foi submetida a uma velocidade
de 4000 rpm por 3 minutos, sem utilização do ultrassom. Quando dispersa diretamente
nas jarras, a amostra foi submetida a uma velocidade de rotação da pá de 400 rpm
(máximo) também por 3 minutos.
Foi observada diferença de 0.5 µm entre os picos dos histogramas volumétricos de
tamanhos. O Malvern se mostrou mais eficiente para desagregar a amostra, com 3% das
partículas presentes na suspensão maiores que 70 µm. Quando dispersas na jarra, esse
percentual sobe para 4%. Uma vez dispersa na UD, a amostra foi transferida
imediatamente para a jarra de mistura, e submetida à influência da rotação da pá a ser
empregada durante o ensaio.
95
6
Malvern
Jarra
5
Conc. Vol
4
3
2
1
0
0.1
1
10
Tamanho (µm)
100
1000
Figura 48. Distribuição volumétrica de tamanhos para diferentes métodos de dispersão. A curva
preta corresponde aos tamanhos na dispersão na UD do Malvern e a curva vermelha à dispersão
na jarra de mistura.
Outro teste realizado consistiu em avaliar os efeitos da velocidade de rotação da bomba
peristáltica na preservação da população dos flocos gerados sem a presença da
sedimentação. Com o experimento foram testadas três velocidades de rotação da bomba
(25, 35 e 45 rpm), correspondendo a 43, 60 e 80 ml/min, respectivamente. Na Figura 49
está mostrada a distribuição de tamanhos obtida no final do ensaio para as três rotações.
As maiores diferenças foram identificadas quando se comparam as velocidades de 25 e
45 rpm, com diferenças de 22% para o d50. Essa diferença diminui para 9% quando se
comparam as velocidades de 35 e 45 rpm. Ressalta-se que foi observada sedimentação
do material nas mangueiras ao longo do tempo, para a menor velocidade de rotação da
bomba peristáltica. Em função da semelhança nos histogramas de tamanhos para as
diferentes velocidades, optou-se por utilizar a maior velocidade de rotação (45 rpm) da
bomba peristáltica, e garantir assim, circulação mais eficiente da suspensão pelo arranjo
experimental.
96
6
25 rpm
Conc. vol
5
35 rpm
45 rpm
4
3
2
1
0
0.1
1
10
Tamanho (µm)
100
1000
Figura 49. Distribuição de tamanhos para diferentes velocidades de rotações (25, 35 e 45 rpm) da
bomba peristáltica.
Não foi avaliada a influência do comprimento e diâmetros das mangueiras nos
experimentos. Na Tabela 10, estão resumidas as diferenças percentuais obtidas para os
diâmetros característicos (d10, d50 e d90) para os testes preliminares realizados.
Tabela 10. Resumo das diferenças percentuais nos diâmetros característicos para os testes
preliminares realizados.
Experimentos
d10 (%)
d50 (%)
d90 (%)
Natureza da amostra
18
45
2
Forma das
Inicial
2
0
2
Jarras
Equilíbrio
4
24
3
4
7
11
Método de dispersão
Vazão da
25/45 rpm
1
22
24
Bomba
35/45 rpm
5
9
8
5.3.2 Experimentos de floculação em condições de equilíbrio
A suspensão, submetida a uma velocidade de rotação constante no interior do floculador,
teve seu tamanho medido em intervalos de tempo, visando observar a evolução temporal
da distribuição volumétrica de tamanho das partículas presentes na suspensão. Foram
realizados 25 ensaios com concentrações variando entre 0.05 e 0.5 g/l e taxas de
cisalhamento de 19 a 94 s-1. Os experimentos se estenderam por aproximadamente 7
horas, e tiveram seus histogramas volumétricos monitorados, até que não se observasse
97
variação significativa de tamanho ao longo do tempo. Foram obtidas estimativas do
diâmetro (de) e tempo de equilíbrio (te) para as diferentes condições ensaiadas (Tabela
11). Para duas das concentrações consideradas (0.2 e 0.5 g/l), foi analisado todo o
intervalo de variação do G. O tempo de equilíbrio variou entre 3.6 e 7 horas e o diâmetro
de equilíbrio variou entre 137 e 272 µm.
Tabela 11. Resumo das variáveis utilizadas (G e C) e resultados obtidos (de e te) nos experimentos
em equilíbrio. Com x são indicados os ensaios em que não foi atingido o equilíbrio.
C (g/l)
0.05
0.05
0.05
0.1
0.1
0.1
0.2
0.2
0.2
0.2
0.2
0.2
0.2
0.2
0.3
0.3
0.3
0.5
0.5
0.5
0.5
0.5
0.5
0.5
0.5
-1
G (s )
46
58
79
46
58
79
19
29
46
52
58
65
79
94
46
58
79
19
29
46
52
58
65
79
94
de (µm)
x
189
179
272
233
243
x
193
212
251
204
234
182
137
214
x
194
x
155
174
160
176
194
160
147
te (h)
x
5.8
6.5
6
7
5.4
x
5.9
6.0
4.9
7.0
5.4
4.9
3.6
6.0
x
4.4
x
4.9
4.4
4.4
7.0
5.5
4.0
4.4
Uma suspensão, inicialmente desagregada, quando submetida continuamente à influência
de uma taxa de cisalhamento constante, tem um comportamento semelhante ao mostrado
na Figura 50. A curva em preto corresponde à suspensão no início do ensaio, composta
de partículas de aproximadamente 6 µm. Com o tempo, as partículas presentes na
suspensão passam a colidir umas com as outras e, quando essas colisões são efetivas, a
formar flocos. Com a formação dos flocos, observa-se uma redução na quantidade de
partículas primárias presentes na suspensão. Em vermelho, está representado o
histograma de tamanho das partículas ao final das 7 horas de ensaio. A suspensão
estaria composta tanto de partículas floculadas (180 µm) quanto de partículas dispersas
ou em fase de agregação (6 µm). Durante o ensaio se observa que há um deslocamento,
98
do pico representativo dos flocos (pico maior), dos menores para os maiores tamanhos.
Quanto às partículas primárias, pico menor do histograma, o que se observa é uma
tendência de diminuição no percentual de partículas, sem que haja diminuição no
tamanho das mesmas. Resumindo, nos experimentos de floculação em equilíbrio, ocorre
uma relação de retroalimentação entre os picos do histograma volumétrico, com
crescimento dos flocos (pico maior) em detrimento à redução das partículas primárias
(pico menor).
Uma população de flocos atinge o equilíbrio quando ocorre o balanço entre a agregação e
quebra das partículas. Porém há de ser levada em consideração a sedimentação dos
flocos, nas baixas rotações. O critério adotado nesta tese para determinar o instante em
que o equilíbrio é atingido é função da taxa de variação do d90 da suspensão ao longo do
tempo, definida como ± 5 µm/h. Para o caso mostrado na Figura 50, o equilíbrio foi
atingido com aproximadamente 5 horas de ensaio. Esse seria então o tempo de equilíbrio
(te) e o diâmetro associado a esse tempo, o diâmetro de equilíbrio (de = 251 µm).
Dos 25 ensaios realizados, o equilíbrio não foi atingido em apenas 4 casos, devido à
sedimentação do material nas baixas taxas de cisalhamento. Os tempos de equilíbrio e
diâmetros de equilíbrio para todas as condições experimentais consideradas estão
mostrados na Tabela 11.
99
8
0.2g/l
g/l –
- 52
0.2
52s-1s
-1
Flocos
Partículas
primárias
7
6
Conc. Vol
5
4
3
2
1
0
0.1
1
10
Tamanho (µm)
100
1000
Figura 50. Exemplo da evolução temporal do histograma volumétrico para uma suspensão de 0.2
-1
g/l submetida a um cisalhamento de 52 s por 7 horas. As setas indicam a tendência de diminuição
das partículas primárias associada ao crescimento dos flocos.
5.3.2.1 Influência da taxa de cisalhamento (G)
O intervalo da taxa de cisalhamento utilizado nos ensaios em equilíbrio nesta tese, foi de
19 a 94 s-1, e está dentro do intervalo empregado nos estudos de floculação em jarras de
mistura disponíveis na literatura, 4 a 350 s-1 (SPICER et al., 1996; BOYER et al., 2005;
COUFORT et al., 2005; SERRA et al., 2008; MIETTA, 2010).
A variação do diâmetro de equilíbrio (de) e da microescala de Kolmogorov (η) com a taxa
de cisalhamento (G) em função de várias concentrações está mostrada na Figura 51.
Observa-se um comportamento que segue uma curva ascendente para G < 40–50 s-1 e
uma curva descendente para G > 50 s-1.
Para alguns autores, a parte ascendente da curva estaria relacionada a uma fase com
dominância de agregação sobre a quebra dos flocos (DYER, 1989; SERRA et al., 2008).
Para outros, como WINTERWERP (1998), sob condições de baixas taxas de G, se
100
observa sedimentação do material que está relacionado ao tempo de residência10
limitado das partículas, impedindo que o equilíbrio seja atingido. Assim sendo, o tamanho
dos flocos, neste caso, seria inferior ao tamanho esperado no equilíbrio.
300
Agregação
C (g/l)
0.05
250
0.1
0.2
0.3
200
de (µm)
0.5
150
100
50
Quebra
Sedimentação
0
0
10
20
30
40
50
G (s-1)
60
70
80
90
100
Figura 51. Variação do de em função da taxa de cisalhamento (G) para todos os experimentos. A
linha tracejada preta corresponde à microescala de Kolmogorov. O comportamento da variação de
tamanho para 0.2 e 0.5 g/l está representado pelas curvas marrom e magenta, respectivamente. A
faixa de G destacada limita o ponto a partir do qual se observa mudança de comportamento da
variação de tamanho em função da taxa de cisalhamento.
Na intenção de identificar a presença da sedimentação do material nos experimentos,
comparou-se a variação da obscuração em função do G para uma dada concentração
(0.2 g/l) (Figura 52). Para uma suspensão com uma determinada concentração e em
processo de floculação, espera-se diminuição da obscuração com o aumento do tamanho
dos flocos. A série azul mostra a variação da obscuração em função do G para a condição
inicial dos experimentos. Para esta condição, se espera ter máxima obscuração para a
concentração ensaiada além de tamanho de partículas dispersas uniforme. Desta forma,
a obscuração permanece aproximadamente constante, oscilando em torno de 20 a 26%.
A série em preto corresponde à variação da obscuração para uma suspensão já floculada,
10
O tempo de residência é definido como o tempo durante o qual a população permanece
submetida às mesmas condições ambientais.
101
composta de flocos de 125 µm, tamanho fixo próximo ao de para os valores de G
ensaiados. Para esta condição, supõe-se que a concentração no interior das jarras seja a
mesma que na condição inicial (0.2 g/l), mas tem-se incerteza quanto à concentração no
ponto de amostragem. Observa-se uma tendência de aumento da obscuração com o
aumento do G. Como o tamanho é constante, a variação da obscuração estaria indicando
menores concentrações, no local de amostragem, para G menores. Como a amostragem
está sendo próxima à superfície, esta constatação estaria indicando sedimentação do
material no fundo das jarras. A tendência de diminuição da obscuração para menores
taxas de cisalhamento reforça a hipótese de aumento de tamanho para menores G.
35
30
Obscuração (%)
25
C média
0.2 g/l
20
15
Sedimentação
10
5
0
0
10
20
30
40
50
G (s-1)
60
70
80
90
100
Figura 52. Variação da obscuração em função da taxa de cisalhamento (G) para uma concentração
(0.2 g/l). Em azul as obscurações relacionadas à suspensão desagregada e em preto a suspensão
já floculada.
Na Figura 51 e para todo o intervalo de G analisado, observa-se relação inversa entre o
tamanho dos flocos e a concentração, com maiores flocos associados às menores
concentrações. A influência da concentração no tamanho dos flocos não é observada
para taxas de G superiores a 70 s-1, correspondente ao final do trecho descendente da
curva de variação de tamanho dos flocos com G. Na parte descendente da curva, DYER
(1989) e SERRA et al. (2008) apontam a quebra dos flocos como justificativa para a
diminuição do de observada nas maiores taxas de cisalhamento. Já WINTERWERP
(1998), ressalta que nas altas taxas de cisalhamento, o tempo de floculação seria mais
102
eficiente que o tempo de residência e que assim, os flocos atingiriam seus tamanhos de
equilíbrio.
A comparação da variação do de com a microescala de Kolmogorov (η, curva em preto)
para diferentes taxas de cisalhamento (G), também está mostrada na Figura 51. A
variação do de tem seu comportamento associado à variação da microescala de
Kolmogorov, com diminuição do tamanho de equilíbrio com aumento do G. A microescala
de Kolmogorov é apontada como um limitante do tamanho máximo que os flocos podem
atingir no equilíbrio. THOMAS et al., (1999) afirma que para de<η a quebra dos flocos está
associada à erosão superficial dos mesmos. Caso contrário, de>η, os flocos sofreriam
fratura nas suas estruturas. A erosão superficial é definida como a remoção de pequenas
partículas da superfície dos flocos que resulta em um aumento no intervalo de tamanho
de pequenas partículas. Já a fragmentação é definida como a ruptura dos flocos em
peças de tamanhos similares sem que haja aumento na concentração de partículas
primárias (JARVIS et al., 2005). Em um sistema floculado, os maiores flocos podem ser
maiores que η e os menores flocos podem ser menores que η. Isso foi mostrado
experimentalmente para flocos de lama ativada com d50 < η < d95. A partir desta
constatação, BIGGS e LANT (2000) sugerem que estaria havendo erosão e fragmentação
de modo concomitante, com fragmentação dos maiores flocos e erosão dos menores
flocos. Como apresentado na Figura 51 os flocos produzidos nos experimentos de
floculação em equilíbrio têm de>η, naquelas faixas de G onde se evidencia coincidência
entre o comportamento de variação do de e η. As variações observadas entre os picos,
correspondentes às partículas dispersas e material floculado, são apresentadas a seguir a
partir da análise da variabilidade dos histogramas volumétricos de tamanhos no equilíbrio
em função do G (Figura 53) para suspensões de 0.05, 0.2 e 0.5 g/l. Essa análise nos
permite identificar o mecanismo de quebra predominante (erosão superficial e/ou
fragmentação).
Para a suspensão com menor concentração (0.05 g/l), a diminuição no tamanho dos
flocos (160 para 130 µm) com o aumento da taxa de cisalhamento (G variando de 46 para
79 s-1), promove um incremento de 1.2% na quantidade de partículas dispersas em
suspensão (erosão superficial).
103
Para a suspensão de 0.2 g/l, dois comportamentos distintos são observados. Inicialmente,
os flocos aumentam de tamanho (95 a 180 µm) com o aumento da taxa de cisalhamento
(G variando entre 19 e 52 s-1), havendo redução de até 2.3% de partículas dispersas.
Para as maiores taxas (G variando entre 58 e 94 s-1), a tendência se inverte e os flocos
passam a diminuir de tamanho (130 a 90 µm) com o aumento do G. Para esta
concentração, foram medidos os maiores, e consequentemente, mais frágeis flocos em
suspensão. A diminuição de tamanho dos flocos em função do aumento da taxa de
cisalhamento vem acompanhada de variações, tanto nos percentuais quanto no tamanho
das partículas dispersas. Esse seria um indício de ocorrência simultânea da erosão
superficial e fragmentação na quebra das estruturas dos flocos.
Na suspensão de 0.5 g/l, como observado para 0.2 g/l, dois comportamentos distintos são
identificados. Os flocos aumentam de tamanho (80 para 145 µm) para G variando entre
19 e 65 s-1, com redução de 2.6% na quantidade de partículas dispersas em suspensão.
Não foi observada variação de tamanho dos flocos (120 µm) para G variando entre 46, 52
e 58 s-1, mas houve uma variação de 1.6% na quantidade de partículas dispersas. Para as
maiores taxas de cisalhamento (G>65 s-1) os flocos diminuem de tamanho em uma faixa
mais estreita de variação (120 para 100 µm), quando comparado com os obtidos em 0.2
g/l. Isto estaria indicando flocos menores e mais resistentes associados à maior
concentração, com menor possibilidade de quebra das estruturas por fragmentação.
Para uma taxa de cisalhamento de 19 s-1, independente da concentração, as suspensões
consideradas não atingiram o equilíbrio ao final das 7 horas de ensaio. Neste instante, foi
observada uma diferença de cerca de 1% entre a quantidade de partículas dispersas e
floculadas, para ambas as concentrações.
104
10
G (s-1)
9
A
46
58
79
8
7
Conc. Vol
6
5
4
3
2
1
0.05 g/l
0
0.1
1
10
Tamanho (µm)
100
1000
10
BB
G (s-1)
9
19
29
46
52
58
65
79
94
8
7
Conc. Vol
6
5
4
3
2
1
0.2 g/l
0
0.1
1
10
Tamanho (µm)
100
1000
105
10
8
7
6
Conc. Vol
C
C
G (s-1)
19
29
46
52
58
65
79
94
9
5
4
3
2
1
0.5 g/l
0
0.1
1
10
Tamanho (µm)
100
1000
Figura 53. Histogramas volumétricos da suspensão em função da taxa de cisalhamento para
concentrações de 0.05 (A), 0.2 (B) e 0.5 (C) g/l.
A evolução temporal do tamanho dos flocos, representado pelo d90 da suspensão, em
função da taxa de cisalhamento para diferentes concentrações está mostrada na Figura
54. Quando se comparam as variações temporais no tamanho dos flocos para diferentes
taxas, por exemplo, 46 e 79 s-1, observa-se que nas primeiras horas do ensaio existe uma
relação direta entre a variação dos tamanhos dos flocos com aumento do G. Em um
determinado momento, essa tendência se inverte e os flocos passam a diminuir de
tamanho com aumento do G. O instante em que se observa esta inversão é de
aproximadamente 2 horas para 0.2 g/l e 3h para 0.5 g/l. Em ambas as concentrações, o
equilíbrio foi atingido mais rapidamente para maiores taxas de cisalhamento, sendo de 3.6
a 7 horas para 0.2 g/l e de 4 a 7 horas para 0.5 g/l (Figura 55).
106
300
0.2
(g/l)g/l
0.2
G (s-1)
250
19
29
46
52
200
d90 (µm)
58
65
79
150
94
100
50
A
0
0
1
2
3
4
t (h)
5
6
7
8
300
0.5
(g/l)g/l
0.5
G (s-1)
250
19
29
46
52
200
d90 (µm)
58
65
79
150
94
100
50
B
0
0
1
2
3
4
t (h)
5
6
7
8
Figura 54. Evolução temporal do tamanho dos flocos para diferentes taxas de cisalhamento. O
painel superior corresponde à suspensão com 0.2 g/l (A) e o inferior com 0.5 g/l (B). Na taxa de 19
s
-1
não foi atingido o equilíbrio, devido a sedimentação do material no fundo da jarra durante o
ensaio.
107
7
0.2 g/l
6
0.5 g/l
5
te (h)
4
3
2
1
0
20
30
40
50
60
G (s-1)
70
80
90
100
Figura 55. Variação do te em função da taxa de cisalhamento (G) para 0.2 (pontos em marrom) e
0.5 (pontos em magenta) g/l. A linha azul mostra a tendência geral de diminuição do tempo de
equilíbrio com o incremento do G.
108
5.3.2.2 Influência da concentração de sedimentos em suspensão (C)
A influência da concentração de sedimentos na variação de tamanho dos flocos para
diferentes taxas de cisalhamento será avaliada a partir da análise da Figura 56. Nesta
figura estão mostrados os histogramas volumétricos de tamanho para todas as
concentrações avaliadas (0.05 a 0.5 g/l) em função de duas taxas de cisalhamento, uma
relacionada à dominância da agregação (46 s-1) e outra à dominância da quebra (79 s-1)
na curva de variação do de em função do G.
Na fase de agregação (46 s-1), os flocos inicialmente crescem de tamanho (de 155 para
175 µm) para 0.05 e 0.1 g/l e apresentam redução de 0.2% na quantidade de partículas
dispersas em suspensão. Nas maiores concentrações, observa-se comportamento
inverso, ou seja, os flocos diminuem de tamanho (de 175 para 110 µm) com aumento da
C. Associada a essa diminuição de tamanho dos flocos, observa-se aumento de 2% na
quantidade de partículas dispersas em suspensão. O maior percentual de partículas
dispersas foi observado para 0.5 g/l, estando relacionado à presença de partículas
primárias por flocular ou resultantes da quebra dos flocos em menores estruturas. Esse
seria um indício de que os flocos gerados nas maiores concentrações, e para uma mesma
taxa de cisalhamento (G), seriam mais resistentes à quebra, devido ao predomínio da
quebra por erosão superficial, que aqueles gerados nas menores concentrações, onde há
o predomínio da fragmentação.
Na fase de dominância da quebra (79 s-1), os flocos inicialmente aumentam de tamanho
(de 110 para 170 µm) para 0.05 e 0.1 g/l, apresentando diferenças de 0.6% no percentual
de partículas primárias em suspensão. Quando se compara o mesmo intervalo de C para
as duas taxas de cisalhamento (G) consideradas, verificam-se flocos de menor tamanho e
maior quantidade de partículas dispersas em suspensão para a maior taxa de G. Nas
maiores concentrações e para uma taxa de cisalhamento de 79 s-1, verifica-se uma
alternância entre aumento e diminuição do tamanho dos flocos (variando entre 105 e 130
µm) relacionada à atuação conjunta dos processos de floculação e quebra das estruturas.
Assim sendo, não foi possível identificar relação entre o tamanho dos flocos e a
concentração de sedimentos em suspensão, nas maiores concentrações.
109
10
C (g/l)
A
9
0.05
0.1
0.2
0.3
0.5
8
7
Conc. Vol
6
5
4
3
2
1
46 s-1
0
0.1
1
10
Tamanho (µm)
100
1000
10
C (g/l)
9
B
0.05
0.1
0.2
0.3
0.5
8
7
Conc. Vol
6
5
4
3
2
1
79 s-1
0
0.1
1
10
Tamanho (µm)
100
1000
Figura 56. Variação no histograma volumétrico em função da concentração para taxas de
-1
cisalhamento de 46 (A) e 79 s (B).
A variação temporal do d90 em função de diferentes concentrações está mostrada na
Figura 57. Como mostrado anteriormente, com a análise dos histogramas volumétricos,
os flocos crescem de tamanho para uma faixa de variação de C de 0.05 e 0.1 g/l,
independente da taxa de cisalhamento considerada, com maiores flocos relacionados a
0.1 g/l. Com o aumento da concentração, o comportamento de diminuição de tamanho
dos flocos também independe da taxa de cisalhamento empregada. As concentrações
110
influenciam ainda o tempo de equilíbrio dos flocos, através de uma relação inversa, ou
seja, com menores tempos de equilíbrio relacionados às maiores concentrações.
300
C (g/l)
46
A (s-1)
0.05
0.1
250
0.2
0.3
0.5
d90 (µm)
200
150
100
50
0
0
1
2
3
4
t (h)
5
6
7
8
300
C (g/l)
79
B (s-1)
0.05
0.1
250
0.2
0.3
0.5
d90 (µm)
200
150
100
50
0
0
1
2
3
4
t (h)
5
6
7
8
Figura 57. Evolução temporal do tamanho dos flocos para diferentes concentrações de sedimentos
-1
em suspensão. O painel superior corresponde a uma taxa de cisalhamento de 46 s (A) e o painel
-1
inferior a 79 s (B).
111
5.3.3 Experimentos de floculação em desequilíbrio
A dinâmica da floculação induzida por tensões de cisalhamento ao longo de um ciclo
idealizado de maré será investigada a partir de experimentos em condições de
desequilíbrio. O Jar test foi programado para variar gradualmente as taxas de
cisalhamento, ao longo de 24 horas e em intervalos horários, de modo a simular a
dinâmica da floculação para uma maré simétrica11 idealizada que possui as mesmas
características hidrodinâmicas observadas, a partir de dados de campo no fundeio P5. Os
mesmos sedimentos utilizados nos ensaios de floculação em equilíbrio foram introduzidos
e desagregados na UD do Malvern Mastersizer, em solução de água destilada e com
concentração semelhante à observada em campo.
Dois tipos de maré foram simulados empregando valores típicos de G, com magnitudes
de 10 s-1 (estofas) e de 52 e 94 s-1 (máximas velocidades), visando avaliar as diferenças
sazonais (2006 e 2008) além de diferenças entre períodos de enchente e vazante. No
primeiro experimento, foi utilizada uma suspensão de 0.5 g/l e a taxa de cisalhamento
variando entre 10 e 94 s-1. No segundo experimento, a taxa de cisalhamento variou entre
10 e 52 s-1, e foram utilizadas suspensões com diferentes concentrações (0.2 e 0.5 g/l) de
modo a avaliar a influência das concentrações de sedimentos no tamanho dos flocos
gerados. A medição de tamanho dos flocos foi efetuada, durante todo o experimento, em
intervalos que variavam entre meia e uma hora. Em ambos os ensaios, foram
monitorados os tamanhos dos flocos e suas variações ao longo do ciclo da maré. A Figura
58 mostra as condições hidrodinâmicas simuladas nos experimentos e os instantes em
que foram realizadas medições de tamanho dos flocos para uma situação sem condição
inicial (partindo de uma suspensão totalmente desagregada) e após 2 ciclos de maré,
onde a suspensão já estaria floculada.
11
Na maré simétrica os picos de enchente e vazante foram caracterizados por valores iguais de
taxa de cisalhamento (G).
112
100
90
80
70
G (s-1)
60
50
40
30
20
10
CI 2C
CI 0
0
0
5
10
15
20
t (h)
25
30
35
40
Figura 58. Condições hidrodinâmicas simuladas nos experimentos em desequilíbrio. Os períodos
em que foram realizadas medições de tamanho dos flocos estão destacados em vermelho: sem
condição inicial (CI0) e após dois ciclos de maré (CI 2C).
A influência da condição inicial na variabilidade temporal do tamanho dos flocos ao longo
do ciclo de maré será investigada a partir da correlação entre a condição da suspensão
(desagregada ou floculada), taxa de cisalhamento e concentração de sedimentos. Os
resultados obtidos serão confrontados com os tamanhos de equilíbrio dos flocos para as
concentrações e taxas consideradas. As medições foram realizadas aproximadamente
durante 8 horas, observando pouco mais de meio ciclo de maré.
A história da taxa de cisalhamento é um fator importante a ser considerado nos estudos
da dinâmica da floculação ao longo do ciclo da maré. A alternância e repetição de
períodos caracterizados por baixas e altas taxas de cisalhamento influenciaria o tamanho
de equilíbrio dos flocos (COUFORT et al., 2005).
A Figura 59 mostra a variação do d90 dos flocos, ao longo do experimento, obtidos para
diferentes taxas de cisalhamento e concentração de sedimentos para uma suspensão
desagregada. A influência da concentração, para uma taxa de cisalhamento (G) variando
entre 10 e 52 s-1, pode ser verificada com a comparação entre as curvas azul (0.2 g/l) e
magenta (0.5 g/l). Observa-se relação inversa entre o tamanho dos flocos e a
concentração, que independe da variação das taxas de cisalhamento (G), com maiores
113
flocos relacionados à menor concentração. Os flocos, ao final de um ciclo de maré,
variaram entre 35 e 259 µm e de 37 a 151 µm para 0.2 e 0.5 g/l, respectivamente.
300
0.2 g/l
250
d90 (microns)
200
10 a 52 s-1
150
0.5 g/l
100
50
10 a 94 s-1
0
0
2
4
6
t (h)
8
10
12
Figura 59. Variação temporal do tamanho dos flocos, para diferentes cisalhamentos e
concentrações, para um experimento sem influência da condição inicial.
Já a influência da variação da taxa de cisalhamento (G), para uma concentração de 0.5
g/l, pode ser inferida com a comparação das curvas magenta (10 a 52 s-1) e preta (10 a 94
s-1). Foi observada relação inversa entre o tamanho do floco no final do experimento e a
taxa média de cisalhamento ao longo do ciclo, com flocos variando entre 37 e 151 µm (G
de 10 a 52 s-1) e entre 84 a 92 µm (G de 10 a 94 s-1). Nas primeiras duas horas de ensaio
e para a maior taxa de G (94 s-1), verifica-se relação de proporcionalidade entre o
tamanho dos flocos e a taxa de cisalhamento empregado. Depois de 2 horas de ensaio, a
tendência se inverte e os flocos gerados na menor taxa de G (52 s-1), se tornam maiores e
com maior variabilidade de tamanhos.
O crescimento do tamanho dos flocos ao longo do ciclo de maré estaria relacionado à
busca dos agregados gerados em atingir um tamanho de equilíbrio. Dessa forma, o
tamanho dos flocos, ao final do experimento e para uma suspensão desagregada, se
114
assemelha ao tamanho de equilíbrio para as mesmas concentrações e taxas de
cisalhamento considerados. Ressalta-se que no equilíbrio, os flocos variaram entre 32 e
251 µm para 0.2 g/l e 52 s-1, entre 44 e 160 µm para 0.5 g/l e 52 s-1 e entre 43 a 148 µm
para 0.5 g/l e 94 s-1.
Mesmo com a evidência da busca do floco em atingir uma condição de equilíbrio, para
uma taxa média de cisalhamento e concentração empregada durante o experimento,
observa-se que a evolução do tamanho dos flocos segue a mesma tendência de variação
do G ao longo do ciclo da maré (Figura 59). Os flocos crescem até o final do primeiro
meio ciclo (hora 5), apresentando diminuição de tamanho nos instante relacionado à
estofa (hora 6) e nova tendência de crescimento até o final do experimento.
A Figura 60 mostra a variação do tamanho dos flocos para um experimento que tem como
condição inicial, uma suspensão já floculada e exposta à variação de diferentes taxas de
cisalhamento por 2 ciclos de maré. Quando comparado com o experimento sem CI, foram
observados tamanhos maiores, com menores variações ao longo do ciclo e uma
tendência de decaimento dos flocos com o tempo. Essa tendência de diminuição do
tamanho indica sedimentação do material, que independe da taxa de cisalhamento (G),
mas é mais intensificada na menor concentração, ou seja, nos maiores flocos. Essa
sedimentação foi constatada ao longo do experimento, como mostrado na Figura 61, para
um instante representativo de estofa, 10s-1, onde se observou intensificação da
sedimentação do material no fundo da jarra. A região mais próxima da parede e quinas da
jarra retangulares são zonas preferenciais de deposição de material, por se tratarem de
zonas mortas associadas à queda do valor da taxa de cisalhamento.
A influência da concentração, para uma taxa de cisalhamento variando entre 10 e 52 s-1,
pode ser verificada com a comparação entre as curvas azul (0.2 g/l) e magenta (0.5 g/l).
Em concordância ao observado no experimento sem CI, observa-se relação inversa entre
d90 e C, com maiores flocos relacionados às menores concentrações. Os flocos, ao longo
do ciclo de maré, variaram entre 319 e 261 µm e de 205 a 181 µm para 0.2 e 0.5 g/l,
respectivamente.
Quanto à influência da taxa de cisalhamento (G), da mesma forma que no experimento
anterior, os tamanhos dos flocos ao longo do ciclo de maré estão relacionados à busca
115
dos agregados em atingir um tamanho de equilíbrio, para a taxa média de cisalhamento e
concentração de referência. A curva inferior (preta) é representativa de condições de
maior G e C e a curva superior (azul), seria representativa de menor G e C.
Mesmo com a influência da sedimentação do material no fundo das jarras e pouca
variabilidade nos tamanhos dos flocos, observa-se novamente evolução do tamanho dos
flocos seguindo a mesma tendência de variação de G ao longo do ciclo. Os flocos
crescem até o final do primeiro meio ciclo (hora 5), apresentam diminuição de tamanho
associado a estofa (entre a hora 5.5 e 6) e uma nova tendência de crescimento até o final
do experimento. A Evolução do tamanho dos flocos ao longo do ciclo de maré para uma
suspensão de 0.5 g/l e taxas de cisalhamento variando entre 10 e 52 s-1, pode ser
observada na Figura 62, a partir da comparação de histogramas volumétricos
representativos de instantes de mínimas e máximas velocidades de corrente. Foi
observada uma variação de 5 µm nos picos do histograma volumétrico ao longo do ciclo
de maré, correspondendo a variação no d90 entre 187 e 192 µm.
350
0.2 g/l
300
d90 (microns)
250
10 a 52 s-1
200
150
0.5 g/l
100
10 a 94 s-1
50
0
2
4
6
t (h)
8
10
12
Figura 60. Variação temporal do tamanho dos flocos, para diferentes taxas de cisalhamento e
concentrações, para um experimento com influência da condição inicial.
116
Figura 61. Sedimentação do material observada nos experimentos de simulação da floculação ao
longo do ciclo de maré em jarras de mistura.
8
Máxima
Velocidade
Estofa
7
6
Cvol
5
4
3
2
1
0
0.1
1
10
Tamanho (µm)
100
1000
Figura 62. Exemplo dos histogramas volumétricos representativos de um instante de estofa (hora
5.67) e máxima velocidade das correntes (hora 4.33) para o experimento com influência da
condição inicial, ou seja, após 2 ciclos de maré.
117
5.4
Discussões: experimentos de floculação com Jar test
Nos experimentos de floculação em jarras de mistura realizados nesta tese, a turbulência
(representada pela taxa de cisalhamento, G) empregada corresponde as valores globais
obtidos a partir da metodologia de Nagata (1975). Ressalta-se que a distribuição do G no
interior das jarras, determinada através de medições com micro velocímetro doppler, não
é uniforme e as maiores taxas de cisalhamento observadas estão associados à zona de
atuação das pás, onde os valores locais são superiores aos globais.
Nos experimentos em equilíbrio, com duração aproximada de 7 horas, foi empregada taxa
de cisalhamento constante ao longo do tempo. Os histogramas de tamanho obtidos são
bimodais, com um pico menor associado à presença de partículas primárias (ou em fase
de agregação) e um maior relacionado à presença de flocos na suspensão. Ao longo do
tempo, observou-se um balanço entre os picos mencionados do histograma volumétrico
de tamanho. A quantidade de partículas primárias diminui, sem apresentar variação
significativa de tamanho, à medida que aumenta o número de partículas floculadas na
suspensão. O equilíbrio é atingido a partir do instante em que não se observa variação
significativa no tamanho dos flocos ao longo do tempo.
O equilíbrio foi atingido mais rapidamente para as maiores taxas de cisalhamento, sendo
de 4 a 6 h para 0.2 g/l e de aproximadamente 5 h para 0.5 g/l. Uma vez em equilíbrio, os
maiores flocos estariam associados à menor concentração. A concentração de
sedimentos em suspensão influenciaria ainda a resistência dos flocos gerados no interior
do floculador, com flocos mais resistentes nas maiores concentrações.
A curva de evolução do diâmetro de equilíbrio dos flocos em função da taxa de
cisalhamento (G) pode ser dividida em duas partes: uma ascendente e uma descendente.
Na parte ascendente da curva, foram identificados dois comportamentos distintos. Para
taxas de cisalhamento de 19 s-1, foi observada sedimentação do material através dos
valores de obscuração do Malvern, e impossibilidade de se atingir o equilíbrio. Para taxas
variando entre 29 e 50 s-1, os diâmetros de equilíbrio são proporcionais ao G para valores
baixos de G, indicando dominância de agregação. Para taxas de cisalhamentos
superiores a 50 s-1, o comportamento se inverte e os diâmetros de equilíbrio passam a
118
diminuir com incremento de G, indicando dominância da quebra frente à agregação. Na
fase de dominância de quebra não foi observada influência da concentração nos
diâmetros de equilíbrio.
Na Figura 63, mostra-se a relação entre o diâmetro de equilíbrio e o parâmetro
C
,o
G
que mostra a influência conjunta de concentrações e taxas de cisalhamento. A partir deste
gráfico pode ser obtida a relação entre os parâmetros de agregação e quebra (ka/kb) do
modelo lagrangeano de floculação de WINTERWERP (1998) (equação (3)) a partir da
inclinação da reta ajustada. Observa-se que os pontos se agrupam por faixas de
concentrações, apresentando relação inversa com a taxa de cisalhamento (G). No ajuste
foram utilizadas somente as taxas superiores a 50 s-1, de modo a excluir os efeitos da
sedimentação do material observados nas menores taxas de cisalhamento. A relação
entre ka/kb para 0.05 a 0.1, 0.2 e 0.5 g/l é de 0.0082, 0.0038 e 0.0027 m4/kg s0.5,
respectivamente. Verifica-se que há uma diminuição do parâmetro ka/kb em direção aos
maiores cisalhamentos, mostrando que a dominância de quebra independe das
concentrações.
WINTERWERP (1999), a partir de testes com lama do estuário Ems – Dollard, na coluna
de sedimentação de WL/Delft Hydraulics, com 81.7 s-1 e 1.21 g/l, obteve uma relação
entre ka/kb de 0.001043 m4/kg s0.5. TRENTO (2005), utilizando um floculador Couette, fez
testes com lama do rio Paraíba do Sul, com G variando entre 50 e 200 s-1 e C de 0.1 a
0.335 g/l, obteve uma relação entre ka/kb de 0.00068 m4/kg s0.5. A relação obtida para 0.5
g/l é a que mais se aproxima daquelas obtidas por WINTERWERP (1999) e TRENTO
(2005).
119
0.0003
C (g/l)
y = 0.0082x + 0.0001
R² = 0.8867
0.00025
0.05 a 0.1
y = 0.0038x + 0.0001
R² = 0.1906
0.2 a 0.3
0.5
0.0002
de (m)
y = 0.0027x + 1E-05
R² = 0.6698
0.00015
0.0001
0.00005
0
0
0.01
0.02
0.03
0.04
C/raiz G (kgs0.5/m3)
0.05
0.06
0.07
Figura 63. Estimativa dos coeficientes de agregação (ka) e quebra (kb) segundo modelo de
WINTERWERP (1998) aplicados à região de estudo. Os ajustes foram realizados para três faixas
de concentração (0.05 a 0.1 g/l, 0.2 a 0.3 g/l e 0.5 g/l).
A variabilidade do tamanho dos flocos ao longo do ciclo da maré foi investigada a partir de
experimentos de floculação em desequilíbrio utilizando o Jar test para simular uma maré
simétrica idealizada. Esse experimento possibilitou a obtenção de duas conclusões:
•
Foi observado que o tamanho médio dos flocos ao longo do ciclo de maré estaria
relacionado à busca dos agregados em atingir um tamanho de equilíbrio para as
condições hidrodinâmicas médias simuladas e para a concentração de referência.
Assim, esses tamanhos apresentam relação inversa tanto com a taxa de
cisalhamento (G) quanto com a concentração (C) utilizada no experimento.
•
Quando se investiga a variação do tamanho ao longo do ciclo, observa-se que
variações são diretamente influenciadas pela maré e proporcionais às variações
da taxa de cisalhamento (G). Os maiores flocos foram observados nas máximas
velocidades e os menores nas estofas, possivelmente devido à sedimentação dos
maiores flocos nesses instantes.
120
6
CONCLUSÕES
A presença ativa do processo de floculação de sedimentos finos em suspensão foi
evidenciada a partir de medições in situ em um trecho ao longo do canal de navegação e
antes da influência da frente salina (entre os fundeios P1 a P5, Figura 1). Esta região se
caracteriza por apresentar, no sentido longitudinal, partindo do trecho fluvial em direção à
plataforma: intensificação da turbulência, com taxas de cisalhamento máximas (no fundo)
variando entre 25 e 45 s-1; aumento nas concentrações de sedimentos em superfície, com
concentrações variando entre 0.05 (valor típico de concentrações no trecho fluvial) e 0.23
g/l. Foi verificada a deposição das areias, de P1 a P5 e aumento da fração fina em
suspensão. Nas duas campanhas, 2006 (cheia) e 2008 (seca), foi observada dominância
das correntes de vazante, com maiores concentrações de sedimentos em suspensão e
maiores tamanhos acompanhando as maiores velocidades nessa fase da maré. O
aumento do tamanho dos flocos com o aumento das velocidades, acompanhando do
aumento nas concentrações seria um indício da importância da ressuspensão do material
de fundo.
Se comparadas as coletas dos dados de P1 a P5 observa-se também um aumento das
velocidades acompanhado de aumento do tamanho dos sedimentos e das concentrações.
Neste percurso, as velocidades residuais diminuem (VILELA, 2011) explicando a
acumulação de sedimentos finos e a formação da Zona de Máxima Turbidez (ZMT). É
interessante notar que, de P1 a P5, os tamanhos dos sedimentos são sempre maiores na
vazante do que na enchente, o que exclui a influência da advecção horizontal na dinâmica
local observada.
Os experimentos de laboratório realizados, com os sedimentos do Amazonas, em
condições até atingir o equilíbrio na formação dos flocos mostraram as seguintes
conclusões:
•
O tempo de equilíbrio na formação dos flocos foi em torno de 5 horas, tempo
longo para se atingir essa condição durante o ciclo de maré; e é inversamente
proporcional a tensão de cisalhamento e a concentração de sedimentos em
suspensão;
•
Durante o processo de formação dos flocos observou-se uma bimodalidade na
distribuição de tamanhos, com aumento crescente dos maiores tamanhos e a
121
permanência das partículas primárias, estas poderiam estar representando os
chamados flocculi (estruturas de ordem de agregação primária);
•
A análise do detalhe da hidrodinâmica das jarras confirmou a distribuição irregular
das tensões de cisalhamento no seio da mesma, mas permitiu determinar um
critério consistente de posicionamento da coleta de amostras para manter a
representatividade do G médio ocorrendo na jarra e, portanto a validade da
comparação dos ensaios;
•
A distribuição de tamanho dos flocos obtida com os experimentos mostrou estar de
acordo com o modelo proposto por DYER (1989), com menores tamanhos de
flocos relacionados às menores tensões de cisalhamento. Durante os ensaios é
possível observar ainda sedimentação de material no fundo das jarras nas
menores tensões o que pode remeter à hipótese levantada por WINTERWERP
(1998) de que os menores tamanhos observados se devem à sedimentação do
material;
•
Surpreendentemente, nos ensaios de laboratório o tamanho dos flocos se mostrou
inversamente proporcional à concentração de sedimentos em suspensão em todo
o intervalo de tensões de cisalhamento ensaiadas.
Nos experimentos onde a taxa de cisalhamento só foi variada de acordo com o ciclo de
maré observou-se pouca sensibilidade do tamanho do floco à essa variação, o que pode
ser explicada pelo longo tempo de equilíbrio já apontado. Novamente, o resultado foi
consistente, com maior tamanho de flocos associado à menor concentração de
sedimentos e menor taxa de cisalhamento.
Os dados coletados in situ foram discrepantes, em relação ao esperado, com os
experimentos de laboratório, tanto em relação à dependência do tamanho com a tensão
de cisalhamento quanto da concentração. Este comportamento, como dito anteriormente,
pode ser explicado pelo efeito da ressuspensão, e não permite enxergar essa
dependência somente com os dados in situ. O motivo da possível relação inversa entre o
tamanho dos flocos com as concentrações poderia estar relacionado às características
intrínsecas do material e do meio, quando comparados à outros materiais ensaiados e
apresentados na literatura. Estudos mais aprofundados visando responder esta questão
são então necessários. As observações in situ podem ser resumidas no seguinte
esquema representando um transect ao longo do Canal Norte (Figura 64).
122
C
P1
P3
P5
P6
Vel.
Residuais
LAMA
AREIA
AREIA
ZMT
Ressuspensão
Influência da
estratificação causada
pela frente salina
Ressuspensão
Suspensão defloculada
ou com microflocos
vinda do rio
G, C e d
Suspensão defloculada: d50 diminui por sedimentação da areia
Suspensão floculada: d50 aumenta por ressuspensão do material do leito
Figura 64. Esquema mostrando o papel da floculação na formação da Zona de Máxima Turbidez
(ZMT), destacando o trecho analisado.
A floculação é um importante mecanismo para a acumulação de sedimentos na
plataforma uma vez que o aumento do tamanho, e consequentemente da velocidade de
queda dos flocos, favorece a sedimentação do material presente em suspensão. Para o
entendimento da formação da zona de máxima turbidez (ZMT) e a geração do depósito na
região faz-se necessária a combinação de um modelo de floculação acoplado a um
modelo hidrodinâmico. Os resultados obtidos nesta tese podem contribuir para a
determinação dos parâmetros necessários para a implementação do modelo de
floculação para a região de estudo. Dentre essas informações destacam-se aquelas
relacionadas a caracterização, temporal, espacial e vertical dos sedimentos em
suspensão e estimativas de velocidade de queda das partículas para as condições
hidrodinâmicas observadas in situ.
123
7
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