II Congresso sobre Planejamento e Gestão das Zonas Costeiras dos Países de Expressão Portuguesa
IX Congresso da Associação Brasileira de Estudos do Quaternário
II Congresso do Quaternário dos Países de Línguas Ibéricas
PREPARO DE BASES BATIMÉTRICAS E DE AGITAÇÃO DIGITALIZADAS PARA
O LITORAL DO ESTADO DE SÃO PAULO
Patrícia Dalsoglio Garcia1; Rodrigo Nogueira de Araújo2; Guilherme da Costa Silva3; Paolo Alfredini4.
1
Engenheira Civil, Laboratório de Hidráulica da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo
Av. Professor Lúcio Martins Rodrigues, 120 – Cidade Universitária
Fone: +55 11 3039-3244. e-mail: [email protected]
2
Mestre em Engenharia Civil na área de Hidráulica Marítima pela Escola Politécnica da Universidade de São Paulo
e-mail: [email protected]
3
Doutor em Engenharia Civil na área de Hidráulica Marítima pela Escola Politécnica da Universidade de São Paulo
e-mail: [email protected]
4
Professor Livre-Docente da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo
e-mail: [email protected] , [email protected]
RESUMO
O conhecimento das deformações produzidas pela batimetria e pelos obstáculos do litoral sobre a agitação ondulatória
são de grande importância para a Engenharia Costeira e Portuária. Sendo assim, este trabalho teve como objetivo a preparação de uma base digitalizada de dados batimétricos e de agitação em águas profundas para posterior aplicação em
projetos de obras costeiras e portuárias.
ABSTRACT
The knowledge of wave deformations induced by bathymetry and coastal obstacles is of great importance for Coastal
and Port Engineering. Therefore, this work had the purpose of presenting a digitalized bathymetry and deep water wave
climate database for use in coastal projects and port works.
Palavras-Chave: hidráulica marítima, base batimétrica, agitação de ondas
1. INTRODUÇÃO
Há grande importância no conhecimento das deformações causadas pela batimetria e pelos obstáculos do litoral
sobre a agitação ondulatória, que atua sobre as obras de
Engenharia Costeira e Portuária. Este trabalho sintetiza o
projeto de pesquisa desenvolvido para apresentar a base
digitalizada de dados batimétricos e de agitação em águas
profundas para todo o litoral paulista. A partir destas bases podem ser executados estudos de propagação de ondas
para posterior aplicação em projetos de obras costeiras e
portuárias.
O projeto foi dividido fundamentalmente em dois grandes blocos, a saber:
-digitalização de folhas de bordo e cartas náuticas da
DHN – Diretoria de Hidrografia e Navegação da Marinha
do Brasil - para dados batimétricos;
- preparação de dados de agitação em águas profundas;
As bases de dados em águas profundas foram preparadas a partir de medições por ondógrafos, por visadas a
bóia e visuais.
A Figura 1 representa a região de estudo com as áreas
das folhas de bordo e cartas náuticas e as bases de dados
de agitação, as quais foram incorporadas em CDr disponível no LHEPUSP – Laboratório de Hidráulica da Escola
Politécnica da Universidade de São Paulo.
BASE DE AGITAÇÃO
FB -1634 -002/79
FB-163
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FB
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B-1
634
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1
F B-16 35-00 1/8 0
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FB-1634-003/79
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FB-1634-004/79
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PARTE
ESC:1
C :1:20.000
FB -1635-004/80
DA ILHA DAS CO UVES À I LHA DO MAR V IRADO
ESC: 1: 20.000
F B- 1635 -003/80
DA I LHA DAS COUVES À IL HA DO MAR VIRADO
E SC:1:20.000
FB- 1 6 42 - 0 10 / 8 1
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SÃO
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F B - 1 6 42 - 0 10 / 8 1
C
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F B -1 6
4 2 -0 /82 1
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. 0 0
F B-16 42-002 /8 4
DA B AR R A SUL DO C ANAL DE SÃO SE BAS TIÃO À IL HA DOS GATOS
E SC :1 :20 .0 00
F B -16 42-00 1/ 84
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GATOS
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E SC : 1:2 0. 000
F B - 16 4 3 0- 0 1 8/ 1
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FB -164 3-002 /81
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E SC :1: 10 .00 0
F B - 17 0 1 - 0 1 / 47
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E S C 1: : 1 5 .0 0 0
B a aí
B
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S
S ãoo
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Vii ce tnn e
2
FB-1700-005/82
DA ILHA DA MOELA À ILHA MONTÃO DE TRIGO
ESC:1:100.000
FB-1600-002/79
DA ILHA GRANDE À ILHA DE ALCATRAZES
ESC:1:150.000
FB-1700
Juréia
FB- 170 3-0 01/82
PORTO DE CANA NÉI A
ES C:1 :15.000
4
FB-1700-001/82
DA ILHA DO BOM ABRIGO À PRAIA DA JURÉIA
ESC:1:100.000
3
FB-1700-002/82
SUL DA ILHA QUEIMADA GRANDE
ESC:1:100.000
FB-1700-003/82
SUL DA ILHA DE ALCATRAZES
ESC:1:100000
FB-1700-001/82
LEGENDA
1 - PLATAFORMA PETROLÍFERA DE GAROUPA - CAMPOS
2 - BAÍA DE SANTOS
3 - PRAIA DO UNA - IGUAPE
4 - ILHA DO BOM ABRIGO - CANANÉIA
Figura 1: Bases de dados de batimetria e agitação
2. BASE DIGITALIZADA DE DADOS BATIMÉTRICOS
Utilizando-se de uma mesa digitalizadora foi feita a digitalização das folhas de bordo da DHN e das cartas náuticas. Toda a batimetria digitalizada foi incorporada em
um CDr (ver Figura 2) que está sendo divulgado pela Internet, no site da Associação Brasileira de Recursos Hídricos (ABRH) – www.abrh.org.br - e no site da Escola
Politécnica da Universidade de São Paulo –
www.poli.usp.br, sendo disponibilizado pelo LHEPUSP
para estudos de obras costeiras e portuárias.
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IX Congresso da Associação Brasileira de Estudos do Quaternário
Rumo / Período / Altura
(código) (s) (código)
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18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
1965
Rumo (NV)
Período
Altura
1970
1975
1980
anos
1985
1990
Gráfico 1: Variação do Rumo, Período e Altura no subquadrado 37646
Figura 2: Capa do CD de batimetrias
3. BASE DE DADOS DE AGITAÇÃO
3.1. Dados do BNDO
Inicialmente foi feita uma análise estatística dos dados
do BNDO - Banco Nacional de Dados Oceanográficos da DHN, referentes aos subquadrados Marsden 37634,
37644, 37645, 37646, 37656 e 37657 (ver Figura 3). Estes
dados correspondem a observações visuais de navios da
agitação de vagas e marulhos. Pela falta de maior informação assumiu-se que estes dados correspondem a condições de águas profundas.
No Gráfico 1 o rumo é dado seguindo a seguinte
convenção: o código 11 representa o setor de 105 – 114°
NV, o código 12, o setor 115 – 124°, e assim por diante.
3.2. Dados de campanhas hidrográficas de registro de
ondas.
Foi feito um levantamento bibliográfico sobre as regiões com registros de ondas adequados para a preparação
da base de dados de ondas e um resumo sobre os procedimentos para sua obtenção. As regiões estudadas foram:
Plataforma Petrolífera de Garoupa, Baía de Santos, Praia
do Una e Ilha do Bom Abrigo. Na Tabela 1 foi apresentada a síntese da medição na Baía de Santos.
Tabela 1: Estudo da Baía de Santos (outubro de 1972 a
setembro de 1973)
Campanha de medições na Baia de Santos –1972/73
(°NV)
Média do
Período Tz
(s)
140-144
145-149
150-154
155-159
160-164
165-169
170-174
175-179
180-184
185-189
190-194
195-199
200-204
10.00
11.91
10.00
11.65
11.73
11.07
10.16
9.12
11.11
12.00
15.50
9.00
12.00
Rumo
Figura 3: Subquadrados Marsden da costa do Estado de
São Paulo
Tendo como base os dados do BNDO, foram obtidas as
médias do rumo, do período e da altura em cada ano. Tomando-se como exemplo os dados do subquadrado 37646
foi apresentada no Gráfico 1 a variação de longo período,
entre 1965 e 1990.
Média da
Número
Média do
FreqüênAltura de daRumo
cia
Hs
dos
(m)
(°NV)
(%)
0.49
1.02
0.80
0.84
0.99
1.26
1.05
1.16
1.32
1.35
1.41
1.18
0.80
141.00
146.23
152.60
157.07
161.63
166.22
171.34
175.86
181.67
185.00
190.00
195.00
200.00
1
32
26
120
146
75
25
25
9
3
2
4
1
0.21
6.82
5.54
25.59
31.13
15.99
5.33
5.33
1.92
0.64
0.43
0.85
0.21
3.3. Retro-refração e refração de ondas
Excetuando os dados de Garoupa, os demais não estavam em águas profundas, sendo necessário proceder a
retro-refração. Para tanto, foram utilizados dois programas:
IERAD e MIKE21-módulo NSW. Inicialmente foi feita a
análise com o programa IERAD e, posteriormente, foi utilizado o programa MIKE 21-módulo NSW.
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No presente trabalho a região cujos dados serão retrorefratados é a Ilha de Bom Abrigo.
3.3.1. IERAD
No programa IERAD os dados de entrada são a batimetria da região e as características das ondas na bóia (período, altura e rumo). Sobre a batimetria é colocada uma
grade constituída de uma rede de triângulos eqüiláteros
associada a um sistema de eixos oblíquos (ângulo de 60°).
Estes, por sua vez, estão associados a um sistema de eixos
ortogonal, de modo que um dos eixos deste seja paralelo
ao eixo do sistema oblíquo. Esta rede de triângulos tem
sua densidade definida de acordo com a precisão que se
deseja. Quanto menor o tamanho dos triângulos (menor
espaço entre os pontos da malha), maior a precisão. Nos
vértices da malha são calculadas as profundidades por
interpolação. Com isso é possível calcular em cada ponto
as celeridades.
O programa faz os cálculo por diferenças finitas e, para
isso, discretiza os dados de entrada a partir da batimetria
(dado de ∆x metros seguindo a direção das isóbatas por
∆y metros na direção ortogonal à anterior).
3.3.2.1. Batimetria
A batimetria é o mais importante parâmetro para o cálculo. Quanto mais precisa melhores os resultados. Foi
preciso avaliar qual a melhor área a ser incorporada de
forma a garantir estabilidade do programa e as saídas necessárias para as entradas previstas. Para isso é necessário
saber que o programa somente calcula ondas com direções máximas de 60° em relação à direção ortogonal à
linha de costa, ou seja, alguns dados não seriam calculados devido a esta restrição. Buscou-se o maior conjunto
de cartas náuticas e folhas de bordo de forma a se ter abrangência do maior ângulo previsto.
Outro problema relativo ao programa foi à transformação da batimetria existente na forma discretizada. Foi
utilizado para isto o programa Softdesk, juntamente com
o AutoCad14. Este programa cria uma superfície de nível
e calcula as profundidades de uma malha préestabelecida, a partir de um ponto inicial. Foi escolhida a
discretização em x de 1000 metros e a discretização em y
de 200 metros, sendo x a direção paralela à linha de costa
e a direção y a direção perpendicular a x, com sentido
positivo para a costa. Esta discretização diferenciada foi
feita a partir do critério de estabilidade do programa.
Na Figura 5 está apresentada a batimetria da região da
Ilha do Bom Abrigo compreendendo uma área de
176000m x 82200m.
Untitled
Figura 4: Rede de Triângulos – malha IERAD
160
3.3.2. MIKE 21 NSW
O MIKE 21 é um programa de modelação numérica que
foi adquirido pelo LHEPUSP em 2000 com licença educacional. O programa é de autoria do DHI - Danish Hydraulic Institute.
Este programa apresenta vários módulos e o NSW (Near Shore Waves) é o recomendado para cálculo de propagação de ondas em costas abertas. A partir de parâmetros
básicos, o NSW executa o cálculo de refração, empolamento e arrebentação. Como o desejado era a retrorefração dos dados, foi necessário realizar um cálculo
interativo. A princípio, apontam-se os principais parâmetros necessários para o cálculo da refração:
-Batimetria;
-Rumo, período médio (Tz) e altura das frentes de ondas em águas profundas;
-Localização do(s) ponto(s) em que se deseja saber as
características das ondas refratadas;
140
120
(Grid spacing 1000 meter)
Nas saídas são apresentadas as trajetórias das ortogonais, rumo de propagação, celeridades, altura da onda,
coeficientes de empolamento e refração, profundidade da
transição entre a teoria linear e de onda solitária. Devido a
que o programa IERAD, no caso da base de dados da Ilha
do Bom Abrigo, não apresentou resultados satisfatórios,
foi necessária a utilização de um programa mais refinado.
N
100
Palette
Above 40
32 - 40
24 - 32
16 - 24
8 - 16
0- 8
-8 - 0
-16 - -8
-24 - -16
-32 - -24
-40 - -32
-48 - -40
-56 - -48
-64 - -56
-72 - -64
Below -72
Undefined Value
80
60
40
20
0
0
100
200
300
(Grid spacing 200 meter)
400
01/01/90 00:00:00, Time step: 0, Layer: 0
Figura 5: Grade rotacionada (costa à direita)
3.3.2.2. Dados de ondas
Em princípio vale destacar que o MIKE 21 tem como
dado de entrada o período médio e não o significativo.
Cabe aqui uma explicação de como foram processados os
dados para que se possa entender melhor como foi feito a
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IX Congresso da Associação Brasileira de Estudos do Quaternário
II Congresso do Quaternário dos Países de Línguas Ibéricas
C:\Pati\cartas bases\NSW14-11\saidanova_rod.dfs2
arquivo de entrada de dados de ondas. O MIKE 21 não
faz o cálculo da retro-difração. Para tanto, se faz necessário um cálculo interativo, como sugere ARAÚJO 2000.Na
Figura 6 foi apresentado um exemplo da saída do programa para um período médio de 11 s.
170
160
150
140
Nos subquadrados 37634 e 37644 do BNDO foi feita a
comparação destes dados com os obtidos com ondógrafo
na Plataforma Petrolífera de Garoupa, em Campos (RJ).
No subquadrado 37646 foi feita a comparação destes
dados com os obtidos com ondógrafo na Praia do Una,
em Iguape.
Nos Gráficos 2, 3, 4 e 5 foram apresentados os resultados para o ano de 1983 da comparação entre dados estimados visualmente e registrados. Para o período foi considerado Tc, período entre cristas e para as alturas a média
(Hméd) e a significativa (Hs).
130
12
120
110
PW - BNDO 37646
(Grid spacing 1000 meter)
10
100
N
90
80
70
1 meter
Palette
60
Above
5.6 5.2 Palette
4.8 Above 4.4
6 5.6 - 6
4 5.2 - 5.6
4.8 - 3.6
5.2 4.4 - 3.2
4.8 4 - 2.8
4.4 3.6 - 2.4
4 3.2 - 3.6
2 2.8 - 3.2
1.6 2.4 - 2.8
2 - 1.2
2.4 0.8
1.6 - 2 1.2 - 0.4
1.6 0.8 - 1.2
0 0.4 --0.4
0.8 0 - 0.4
-0.8 -0.4 - 0
-0.8 --1.2
-0.4 Bel
ow
-1.2 - -0.8
1 meter
50
40
30
20
10
6
6
5.6
5.2
4.8
4.4
4
3.6
3.2
2.8
2.4
2
1.6
1.2
0.8
0.4
0
-0.4
-0.8
-1.2
0
50
100
150
200
250
(Grid spacing 200 meter)
300
350
6
y = 0.8809x
4
2
0
0
2
4
6
8
10
12
Tc - Nuclebrás
Below -1.2
0
8
Gráfico 2: Comparação do período BNDO e do período
Tc Nuclebrás – Subquadrado 37646 – ano 1983
400
Figura 6: Apresentação dos dados de saída de rumo e altura
240
A seguir encontra-se uma tabela resumo com todos os
dados retro-refratados.
Dados em Água
Profunda
Dados medidos
Freqüência
de ocorrência
200
BNDO 37646
Tabela 2: Dados Finais retro-refratados.
220
y = 1,0386x
180
160
140
120
100
Hs
Tz
Rumo
Hs
Rumo
(m)
(s)
(°NV)
(m)
(°NV)
(%)
1,23
11,0
92,46
2,09
46,00
6.833
1,22
11,0
97,02
1,74
65,00
8.750
1,24
10,7
101,92
1,55
78,37
7.583
1,32
11,0
106,89
1,39
89,58
6.083
1,25
11,1
111,98
1,29
99,74
6.083
1,41
10,9
116,87
1,37
109,37
5.750
1,36
10,7
121,75
1,30
118,34
5.833
8
1,34
11,1
126,76
1,28
126,63
4.250
7
1,31
11,1
131,97
1,26
134,37
5.167
6
1,43
11,0
137,03
1,38
141,43
5.583
1,43
10,8
142,10
1,40
148,62
3.250
1,36
11,1
147,26
1,35
156,78
3.333
1,31
11,4
151,96
1,32
166,53
3.833
1,44
11,2
156,96
1,63
178,59
4.167
1,45
10,9
162,20
2,12
196,41
3.333
1,40
10,9
166,90
2,97
217,49
3.000
80
60
60
80 100 120 140 160 180 200 220 240
Nuclebrás
HW - BNDO 37646
Gráfico 3: Comparação dos rumos (°NV) BNDO e Nuclebrás – Subquadrado 37646 – ano 1983
5
4
y = 0,9954x
3
2
1
3.4. Comparação dos dados do BNDO com os dados de
campanhas hidrológicas
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Hméd - Nuclebrás
Gráfico 4: Comparação da altura BNDO e da altura média
(Hméd) Nuclebrás – Subquadrado 37646 – ano 1983
II Congresso sobre Planejamento e Gestão das Zonas Costeiras dos Países de Expressão Portuguesa
IX Congresso da Associação Brasileira de Estudos do Quaternário
II Congresso do Quaternário dos Países de Línguas Ibéricas
8
HW - BNDO 37646
7
6
5
4
3
y = 0.7103x
2
1
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Hs - Nuclebrás
Gráfico 5: Comparação da altura BNDO e da altura significativa (Hs) Nuclebrás – Subquadrado 37646 – ano 1983
4. DISCUSSÃO
Analisando os dados do BNDO notou-se que eles não
são adequados para caracterizar totalmente o clima da
região, pois há meses e anos com muitos dados, enquanto
outros com muito poucos. Além disso, os dados disponíveis têm mais informações de vagas do que de marulhos.
Os dados da Tabela 3 mostram esta análise feita nos subquadrados 37634 (foi feita também para as demais quadrículas já citadas).
Tabela 3: Freqüência de vagas e marulhos no subquadrado 37634
Marulhos
Vagas
Freqüência (%)
14
86
Além disso, a comparação dos dados do BNDO com os
dados de Praia do Una e de Garoupa evidenciou ainda
mais as dificuldades em se utilizar os dados do BNDO.
Essa conclusão pode ser obtida graças à análise dos Gráficos de comparação dos dados do BNDO versus os dados
dos ondógrafos, provenientes do mesmo ano, mês, dia e
hora. O esperado seria que os dados formassem uma reta
média com inclinação de 45° (y = x), o que corresponde
aos dados serem aproximadamente iguais. Isso não foi
constatado e, além disso, a discrepância foi grande, evidenciando ainda mais os cuidados a tomar ao se utilizar os
dados do BNDO.
5. CONCLUSÃO
Através da preparação da base de dados batimétrica digitalizada para o Estado de São Paulo foi possível a preparação da base de dados de agitação em águas profundas
para os dados da Ilha do Bom Abrigo e da Praia do Una,
respectivamente representativos do clima ondulatório dos
litorais extremo sul e central do Estado de São Paulo.
Considerando o que foi apresentado na discussão, fica
evidente que os dados do BNDO não são plenamente confiáveis para fins de estudos de obras costeiras e portuárias
por vários motivos, tais como:
-Caracterização incompleta do clima da região;
-Pouca informação sobre marulhos;
-Comparações com dados obtidos por ondógrafos apresentaram discrepâncias.
Portanto, a utilização destes dados deve ser evitada ficando restrita apenas em locais onde não existam outros
dados disponíveis. Mesmo nestes casos deve se atentar
para o fato de que estes dados podem não representar a
real situação da região, ficando o estudo com uma confiabilidade, muitas vezes, prejudicada.
Além disso, pode ser constatado que o programa IERAD deve ser utilizado de maneira cuidadosa, pois utiliza
métodos simplificados, e nem sempre apresenta soluções
condizentes com a realidade. Para se obter respostas adequadas deve-se analisar a região de estudo e verificar se
esta apresenta situações coerentes com as hipóteses simplificadoras adotadas pelo programa. Caso contrário, deve
se buscar outro tipo de software que adote outros métodos
mais complexos, e que caracterizem melhor a situação
desejada.
Nos cinqüenta anos da Área de Hidráulica Marítima do
LHEPUSP, estão sendo disponibilizados um conjunto de
CDr que abrangem a documentação digitalizada da Costa
Paulista para batimetria, aerofotogrametria, agitação e
circulação.
AGRADECIMENTOS
O desenvolvimento deste trabalho contou com o apoio
de bolsas de estudos de Iniciação Científica do CNPq e
FAPESP no período de 2000 a 2002.
Os autores agradecem Ao Almirante Alberto dos Santos
Franco pela cessão do código fonte do programa Refronda
ao LHEPUSP.
Agradecimento especial é devido ao Comandante Reinaldo Antônio Ferreira de Lima da Marinha do Brasil,
pelo empenho que dispensou no fornecimento da documentação das sondagens das Folhas de Bordo da Diretoria
de Hidrografia e Navegação, bem como dos dados do
BNDO.
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