Neste trabalho, modelos que descrevem o transporte de sedimentos finos devido às ondas aquáticas de superfície foram estudados. Soluções numéricas da equação de transporte bidimensional que descreve a evolução da concentração de sedimentos suspensos em um fundo erodível foram obtidas, para alguns casos particulares. Quando as ondas aquáticas propagam sobre uma camada de lama fluida viscoelástico, a equação do transporte é modificada. Este modelo foi investigado e resultados numéricos foram apresentados. Uma nova equação de transporte de sedimentos foi deduzida supondo-se que os parâmetros viscoelástico dependem fortemente da frequência da onda aquática. Usando estas hipóteses, uma expressão acurada de ordem superior para a dissipação de energia de ondas foi obtida. / In this work, models that describe the transport of fine sediments by aquatic surface waves have been studied. Numerical solutions of the bidimensional transport equation that describes the evolution of the concentration of suspended sediments in an erodible bed have been obtained for some particular cases. When the aquatic waves propagate over a viscoelastic mud layer, the transport equation is modified. This model was investigated and numerical results were presented. A newequation for transport of sediments was deduced assuming that the viscoelastic parameters depends strongly on the frequency of the aquatic wave. Using these hypotheses, an accurate expression of higher order for the wave energy dissipation has been obtained.

Tese (doutorado)-Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, 2009. / Submitted by Larissa Ferreira dos Angelos (ferreirangelos@gmail.com) on 2011-05-02T20:29:10Z No. of bitstreams: 1 2009_IrisLunaMacedo.pdf: 16432365 bytes, checksum: d6140990323f21fae861f59021192a09 (MD5) / Approved for entry into archive by Daniel Ribeiro(daniel@bce.unb.br) on 2011-05-20T01:40:27Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2009_IrisLunaMacedo.pdf: 16432365 bytes, checksum: d6140990323f21fae861f59021192a09 (MD5) / Made available in DSpace on 2011-05-20T01:40:27Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2009_IrisLunaMacedo.pdf: 16432365 bytes, checksum: d6140990323f21fae861f59021192a09 (MD5) / A bacia do rio Indaiá é uma importante contribuinte do reservatório da UHE Três Marias-MG, notavelmente pela sua localização em relação ao barramento e por suas altas taxas de produção de sedimentos, consequência de um contexto histórico de intensas atividades antrópicas. Esta pesquisa teve como objetivo estudar diferentes modelos em ambiente de geoprocessamento para avaliar a evolução, ao longo do tempo, dos processos de geração e transporte de sedimentos na bacia do rio Indaiá e melhor compreender e estimar o assoreamento do reservatório. Para atingir este objetivo foram realizadas as seguintes atividades: análise dos parâmetros morfométricos da bacia; avaliação, em períodos distintos, do uso e da cobertura do solo, a partir da interpretação de imagens de satélite e da utilização de técnicas de geoprocessamento; caracterização física dos solos da bacia; análise e quantificação dos sedimentos transportados pelo rio; utilização de diferentes modelos qualitativos (IPT e Campagnoli) e quantitativos (EUPS, MEUPS, MMF e Método do 137Cs) de previsão de erosão, para a identificação das áreas-fonte potenciais de sedimentos e a obtenção das taxas de perda de solo, respectivamente; e realização de levantamentos geofísicos no reservatório. A pesquisa mostra que, entre os anos de 1972 e 2005, a vegetação nativa da bacia foi reduzida em 45,0%, e que, entre os anos de 1972 e 1983, houve um aumento de 38,7% das áreas de solo exposto, pastagem com solo exposto e área urbana, com uma gradual redução até o ano de 2005. As mudanças no uso e na cobertura do solo, ao longo do tempo, e as alterações no regime pluviométrico se refletiram no comportamento dos sedimentos transportados pelo rio e nos valores de perda de solo da bacia. Os mapas de perda de solo por erosão laminar, obtidos pela aplicação dos modelos EUPS e MMF, mostram que a maior concentração de pontos com altos valores de perda de solo ocorre no trecho norte da bacia, próximo ao encontro do rio com o reservatório. Dos modelos quantitativos empregados, o que apresentou as taxas anuais de perda de solo mais próximas das estimadas na estação sedimentométrica foi a MEUPS. Os levantamentos geofísicos realizados no reservatório mostram que existe um avanço da pluma de sedimentos finos para o interior do reservatório e que os sedimentos grosseiros depositam-se próximo à foz do rio. _________________________________________________________________________________ ABSTRACT / The Indaiá River basin is an important contributor to the reservoir of the Três Marias Power Plant, especially due to its proximity to the dam and its high rates of sediment, consequence of a historical context of intense anthropological activities. This research aimed at studying different models in GIS environment to assess the progress of the processes of generation and transport of sediments over time in the Indaiá River basin and to better understand and estimate the siltation of the reservoir. To attain the objectives it were realized the following activities: analysis of the basin’s morphometric parameters, evaluation of the soil use and the land covering at different times by means of the interpretation of satellite imagery and the use of geospatial technologies, the physical characterization of the basin’s soils, analysis and quantification of the sediments transported by the river, the use of different qualitative and quantitative predictive models of erosion (IPT, Campagnoli, USLE, MUSLE, MMF and 137Cs Method) to identify areas of sediment production and to obtain the soil loss rates, and the conduction of geophysical surveys in the reservoir. The research show that between the years of 1972 and 2005 the native vegetation of the basin was reduced to 45.0% and that between the years of 1972 and 1983 occurred an increase of 38.7% of the exposed soil areas, pasture with exposed soil and urban area, with a gradual reduction until the year of 2005. Changes in the soil use and land cover over time and changes in the rainfall patterns reflected in the behavior of the sediments transported by the river and in the values of soil loss in the basin. The maps of soil loss by laminar erosion obtained by the use of USLE and MMF models show that the highest concentration of points with high values of soil loss occurs in the northern section of the basin, near the meeting of the river with the reservoir. The MUSLE was the quantitative model which predicted the values of annual rates of soil loss closer to the estimated at the sedimentometric station. The geophysical surveys carried out in the reservoir show that the plume of fine sediments is moving into the reservoir and that the coarse sediments are deposited near the river mouth.

Neste trabalho, modelos que descrevem o transporte de sedimentos finos devido às ondas aquáticas de superfície foram estudados. Soluções numéricas da equação de transporte bidimensional que descreve a evolução da concentração de sedimentos suspensos em um fundo erodível foram obtidas, para alguns casos particulares. Quando as ondas aquáticas propagam sobre uma camada de lama fluida viscoelástico, a equação do transporte é modificada. Este modelo foi investigado e resultados numéricos foram apresentados. Uma nova equação de transporte de sedimentos foi deduzida supondo-se que os parâmetros viscoelástico dependem fortemente da frequência da onda aquática. Usando estas hipóteses, uma expressão acurada de ordem superior para a dissipação de energia de ondas foi obtida. / In this work, models that describe the transport of fine sediments by aquatic surface waves have been studied. Numerical solutions of the bidimensional transport equation that describes the evolution of the concentration of suspended sediments in an erodible bed have been obtained for some particular cases. When the aquatic waves propagate over a viscoelastic mud layer, the transport equation is modified. This model was investigated and numerical results were presented. A newequation for transport of sediments was deduced assuming that the viscoelastic parameters depends strongly on the frequency of the aquatic wave. Using these hypotheses, an accurate expression of higher order for the wave energy dissipation has been obtained.

O rifte do Recôncavo-Tucano-Jatobá(RTJ) contém o registro da porção abortada de um sistema de bacias distensivas formadas do Juro-Cretáceo ao Aptiano no leste da América do Sul. Nas Sub-Bacias Tucano Central e Norte compreende ambientes deposicionais lacustres, eólicos, deltaicos e aluviais, previamente interpretados como depositados ao longo dos estágios de subsidência pré-, sin- e pós-rifte. Cada ambiente destes foi estudado na escala da bacia, o que permitiu a identificação de alvos para prospecção de petróleo, em especial na Bacia do Recôncavo. Contudo, poucos estudos abordaram a descrição detalhada de afloramentos, o que limita a compreensão de processos com escalas temporais menores de unidades estudadas em subsuperfície. Esse é o caso da Formação São Sebastião, depositada entre o Barremiano e o Neocomiano, e da Formação Marizal, depositada no Aptiano. Ambas constituem sistemas aluviais com ampla expressão nas Sub-Bacias Tucano Central e Norte, onde estão localizados o maior depocentro do rifte, denominado de Baixo de Cícero Dantas, e a Zona de Transferência do Vaza Barris, caracterizada como um alto estrutural. Essas duas feições são resultado de diferentes taxas de subsidência na Bacia do Tucano, e por isso servem para testar a sensibilidade de sistemas fluviais a controles tectônicos. Nesse sentido, os depósitos de cada área foram estudados em detalhe através de métodos de análises de fácies, elementos arquiteturais, paleocorrentes e proveniência, o que permitiu interpretar estilos fluviais contrastantes. Na área próxima ao eixo das sub-bacias, a arquitetura da Formação São Sebastião é semelhante a de rios entrelaçados arenosos, e na porção leste à rios de carga mista, o que confirma a hipótese de que controles tectônicos diferenciados podem resultar em mudanças na arquitetura deposicional. Na primeira, foram interpretados cinco elementos arquiteturais, dentre os quais predominam barras unitárias ou dunas grandes e compostas (EA1) e barras de acréscimo a jusante (EA2), sendo menos frequentes elementos de preenchimento de canais pequenos (EA3), dunas eólicas (EA4) e depósitos de topo de barras (EA5). A abundância do elemento de barras unitárias ou dunas grandes e compostas, com espessuras médias superiores a 1 m e máximas de 5 m é considerada como evidência da presença de canais profundos na região, o que sugere a existência de um sistema fluvial de grandes proporções, que não apresentava modificações na arquitetura entre áreas dentro da própria zona de transferência. A distinção entre os elementos EA1 e EA2 pode ser utilizada na documentação de rios de grande porte e servir como complemento aos conceitos utilizados em estudos de sistemas fluviais. Na área próxima ao Baixo de Cícero Dantas foram identificados elementos diagnósticos de dois ambientes do sistema fluvial: (1) canais, caracterizados pela ocorrência de barras unitárias e dunas grandes e compostas, barras de acréscimo a jusante e preenchimento de canal pequeno; (2) áreas além das margens do canal principal, caracterizadas por depósitos de dunas eólicas, planície ou bacias de inundação, canal abandonado e leque de rompimento de dique marginal. A alternância entre estes ambientes é interpretada como decorrente de altas taxas de subsidência, o que teria favorecido a preservação de planícies de inundação associadas ao sistema fluvial local, onde estas taxas são as maiores do sistema RTJ e estão preservados 14 km de sucessões sin-rifte. Estudos detalhados de proveniência de seixos e calhaus, integrados a dados de paleocorrente, revelaram redução abrupta de maturidade mineralógica na passagem entre os depósitos fluviais Barremiano-Neocomianos e Aptianos. Como forma de entender essa mudança abrupta foram propostos dois estágios evolutivos: (1) durante o Neocomomiano-Barremiano predominava um sistema fluvial axial ao rifte, que fluía para sul e transportava em sua maioria clastos de retrabalhamento policíclico de sucessões paleozoicas e mesozoicas aflorantes nas ombreiras e a norte a partir de uma bacia de captação regional responsável pela denudação das áreas em soerguimento durante a distensão do período; (2) durante o Aptiano, manteve-se o sistema fluvial axial com fluxo médio para sul, porém com grande variabilidade de clastos e menor frequência de policíclicos, o que sugere fontes do embasamento Pré-Cambriano provenientes de leste e oeste. Este cenário é indicativo de que a falha de borda esteve ativa e causou o soerguimento de rochas do embasamento durante a deposição da Formação Marizal, contrapondo interpretações anteriores segundo as quais esta pertenceria a fase de subsidência térmica da bacia. A presença de falhas normais e oblíquas nessa unidade na Sub-Bacia Tucano Norte e a similaridade entre os clastos encontrados na Formação Marizal e nos leques aluviais a leste reforçam o modelo em que é proposto o soerguimento do embasamento até o nível das ombreiras do rifte, que passaria a ter suas fontes paleozoicas e mesozoicas localizadas atrás de um divisor de águas. Desta forma, o sistema fluvial da Formação São Sebastião pode ser caracterizado como resultante da presença de um rio de grandes proporções no eixo de uma das principais bacias rifte do Eocretáceo brasileiro. Este sistema esteve relacionado, possivelmente, a uma bacia de captação regional, que apesar do grande fluxo sedimentar, apresentava taxas localmente altas de subsidência, como na região do Baixo de Cícero Dantas, o que favoreceu as modificações locais ocorridas na arquitetura deposicional. As áreas-fonte deste sistema foram predominantes sucessões sedimentares paleozoicas e mesozoicas, presentes em toda região e dominantes nas ombreiras da baia até o Barremiano. Reativação tectônica da bacia e soerguimento renovado das ombreiras após o recuo erosivo das escarpas de rochas mesozoicas e paleozoicas marca um aumento expressivo na contribuição de rochas do embasamento nas sucessões Aptianas sobrepostas. / The Recôncavo-Tucano-Jatobá rift (RTJ) contains the record of an aborted branch of a system of extensional basins formed from the Jurassic-Cretaceous boundary up to the Aptian, in eastern South America. In the Central and Northern Tucano Sub-Basins, this record comprehends mostly lacustrine, eolian, deltaic and alluvial depositional environments, previously interpreted as the deposits of pre-, syn,- and post-rift subsidence stages. Each system has been studied at the basin scale, which has enabled the identification of targets for oil exploration, particularly in the Recôncavo Basin. Nevertheless, few previous works deal with the detailed description of outcrops, limiting the comprehension of the processes operating at smaller temporal scales in the units studied in the subsurface. That is the case of the São Sebastião Formation, deposited between Neocomian and Barremian, and of the Marizal Formation, deposited in the Aptian. Both units are composed of alluvial systems with widespread occurrence in the Central and Northern Tucano Sub-Basins, where are located the major depocenter of the rift (Cícero Dantas Low) and the Vaza Barris Transfer Zone, characterized as a structural high. These two structures are the result of different subsidence rates, and therefore enable to evaluate the hypothesis concerning the tectonic controls on fluvial sedimentation. Following this approach, deposits of these different areas were studied through the analysis of lithofacies, architectural elements, paleocurrents and provenance, leading to the interpretation of contrasting fluvial styles. In the axis of the Central and Northern Tucano Sub-Basins, the architecture of the São Sebastião Formation is similar to that of sandy braided rivers, while in the eastern part of the basin, the architecture resembles mixed-load rivers, pointing to a tectonic control for each different depositional architecture observed. Five architectural elements were identified in the axis of the central area, with the dominance of unit bars or large compound dunes (AE1) and downstream accretion compound bars (AE2), and subordinated occurrence of minor channel fills (AE3), eolian dunes (AE4) and bar top deposits (AE5). The abundance of the unit bars or large compound dunes element with the thickness of individual sets reaching 1 to 5 m thick is considered as evidence for the dominance of deep fluvial channels in the region, suggesting a fluvial system of large dimensions with no significant variation in architecture in the area of the Vaza Barris transfer zone. The distinction between the elements EA1 and EA2 can be applied in the recognition of big river deposits and complement the current concepts used in the study of fluvial deposits. In the deposits found near the Cícero Dantas Low, elements diagnostic of two environments within the fluvial system were identified: (1) deposits of the channel belt (unit bars and large compound dunes, downstream accretion bars, and minor channel fills), and (2) deposits of overbank areas (eolian dunes, floodplains or floodbasins, abandoned channels, and crevasse splays). The vertical recurrence of these two environments is interpreted as a result of high subsidence rates, which would have favored the preservation of floodplains in the local fluvial system, where the subsidence rates were the highest in the whole RTJ, locally preserving up to 14 km of syn-rift successions. Detailed studies on the provenance of pebbles and cobbles revealed an abrupt reduction in the compositional maturity at the passage between the Neocomian and the Aptian successions. A two-stage scenario is proposed to explain this abrupt change: (1) during the Neocomian-Barremian a fluvial system axial to the rift structure flowed towards the south and transported mainly polyciclically reworked clasts from paleozoic and mesozoic successions that cropped out at the basin shoulder and to the north, in a regional catchment area responsible for the denudation of the areas that were being uplifted during the regional extensional event; (2) during the Aptian, this fluvial system was still flowing towards the south, but nevertheless carrying a much varied composition of clasts, with markedly lower content of polyciclically reworked clasts, suggesting a greater contribution of Precambrian basement sources from the east and west. This scenario is indicative that the basin-border fault was active and caused the uplift of the basement rocks during the deposition of the Marizal Formation, in opposition to previous interpretations according to which the unit would be related to the thermal subsidence phase of the basin. The presence of normal and oblique faults in the Northern Tucano Sub-Basin and the similarity between the clast composition of the Marizal Formation and the alluvial fan deposits to the east corroborate the model, with the uplift of the basement to the level of the basin shoulders, and the location of the paleozoic and mesozoic sources behind a watershed. Therefore, the fluvial system fill of the São Sebastião Formation in the Central Tucano Sub-Basin was interpreted as a result of the installation of a big river system on the axis of one of the major rift basins of the Early Cretaceous in Brazil. The older fluvial system (São Sebastião Formation) is possibly related to a regional catchment, despite the great sediment flux to the basin, local high rates of subsidence, as in the region of the Cícero Dantas Low, resulted in local modifications in the architecture of the deposits, with greater preservation of floodplain and bar top facies. The source areas of this system were mainly paleozoic and mesozoic sedimentary successions, present in the whole region and dominant at the basin shoulders up to the Barremian. Tectonic activation of the basin and renewed uplift of the basin shoulders after the erosional retreat of the scarps of mesozoic and paleozoic rocks is evidenced by an expressive increase in the contribution of basement rocks in the Aptian succession.

Esta tese teve o objetivo de identificar e quantificar os processos geradores da transposição de sedimentos entre praias de enseada e propor um modelo conceitual da dinâmica sedimentar para o norte da Ilha de Santa Catarina, entre as praias arenosas de Santinho, Ingleses, Brava, Lagoinha, Ponta das Canas, Canasvieiras, Jurerê, Forte e Daniela. Para isso, foi dividida em três partes. Nos estudos geomorfológicos do sistema praial, na primeira parte, foram utilizadas imagens aéreas (1957, 1978, 1998, 2002 e 2010), levantamentos da linha de costa com RTKGPS (2012) e topo-batimetria da área emersa e submesa adjacente, além de dados de maré. As imagens foram retificadas, as posições das linhas de costa foram vetorizadas e os erros do processo de retificação relacionados à maré foram calculados. Duas metodologias foram utilizadas: 1) método de regressão linear (tendências) e 2) distâncias Euclidianas em conjunto com análise ano-a-ano. Os resultados indicam o transporte entre as praias no sentido anti-horário, sendo este responsável pelo desenvolvimento de três pontais arenosos ao longo da área, possivelmente alimentados pelo transporte subaquoso de sedimentos das praias a barlamar. O pontal de Ponta das Canas controla a disponibilidade de sedimentos a sotamar. E, quando está se desenvolvendo atua como uma armadilha de sedimentos e as praias a sotamar regridem, quando o pontal se une à costa disponibilizando sedimento, as praias a sotamar progradam. Para a análise do balanço de sedimentos, na segunda parte, foram adquiridos dados de batimetria de detalhe, perfis de praia, transporte de sedimentos, ondas, correntes e marés. Os dados mostram que o volume de sedimentos trapeados decrescem em direção à porção protegida da área de estudo com distribuição de tamanho de grão compatível, suportando a hipótese de conexão entre as praias. Um modelo numérico foi configurado, calibrado e validado através de medições in situ. Três formulas de transporte de sedimentos foram testadas e comparadas com os dados medidos, e aquela que melhor reproduz o processo na área de estudo foi identificada. Ainda, foi realizada uma simulação anual com a intenção de identificar como e onde ocorre o transpasse de sedimentos. Os resultados indicam o sentido anti-horário de transporte na área de estudo. A terceira e última parte consistiu em estudar a contribuição das forçantes; marés, ventos e ondas na indução da transposição de sedimentos, gerando um modelo conceitual para o processo. Foram simulados 26 cenários incluindo diversas condições de marés, ventos e ondas. As ondas representam a principal forçante da transposição entre as praias estudadas, transportando sedimentos com taxas entre duas e três ordens de magnitude acima do transportado por marés ou vento. A transposição de sedimentos ocorre preferencialmente no sentido anti-horário, podendo ocorrer inversões dependendo das condições oceanográficas vigentes. Nas praias voltadas para leste a maior parte da transposição de sedimentos no sentido anti-horário ocorre sob condições de ondas entre sul e leste. Nas praias voltadas para norte, as ondas de nordeste ditam o transporte ao redor dos promontórios. Esta tese contribuiu para o entendimento da dinâmica sedimentar da costa norte da Ilha de Santa Catarina. Foi demonstrado e documentado que a transposição de sedimentos ocorre mesmo quando o padrão cíclico descrito na literatura não está presente. Além disso, foram identificadas as condições necessárias para que o processo ocorra, gerando um modelo conceitual para a área. A transposição de sedimentos é fundamental para o balanço sedimentar, destacando-se a importância da compreensão do todo ao invés de considerar praias de enseada como células fechadas. / This thesis aims to identify and quantify of the process that generate headland sand bypassing, and in doing so develop a conceptual model of these process around the north coast of Santa Catarina island. The research project was divided into three parts: Part 1: Aerial images (1957, 1978, 1998, 2002 e 2010) and a RTK-GPS survey (2012) were used together with a topo-bathymetric data and a tide time-series. The images were rectified, the shoreline extracted and the rectification and tide-related errors were calculated. Two methods were used: 1) linear regression (general trend) and; 2) Euclidean distances together with a year-to-year analyzis. The results indicate the anticlockwise sediment transport which is also responsible for developing three spits along the study area, possibly nourished by the updrift beaches. Ponta das Canas spit, for example, controls the sediment availability of the downdrift areas. When it is growing it acts as a sediment trap and the downdrift areas retreat, when it merges to the coast it spreads the sediment towards the downdrift areas that then progrades; Part 2 is a dataset composed of detailed bathymetry, beach profiles, sediment transport, waves, currents and tides. The data showed that the volume of sediment trapped decreases towards the protected area while maintaining the grain size distribution, supporting the hypothesis of connections between beaches. A numerical model was set up, calibrated and validated (waves, currents and tides). Three sediment transport formulas were tested and compared with measured transport and the one that best reproduce the process was identified. An annual simulation was performed aiming to identify if/where the headland bypassing occurs. The results indicate the anticlockwise sediment transport in the study area; Part 3 consists of a study of the contribution of the driving forces (waves, tides, wind) to headland bypassing, generating a conceptual model for the entire process. Twenty-six scenarios were simulated using several waves, tides and wind conditions. Waves were found to be the main driving force for headland bypassing, transporting sediments in rates two to three orders of magnitude above the transported by tides or winds. The headland bypassing occurs mainly in anticlockwise direction but it can also occur in the opposite direction depending on the wave-tide-wind conditions. In the east-facing beaches, most of the headland bypassing is anticlockwise under waves from the south to east. On the sheltered north-facing beaches, northeast waves dictate the headland sediment transport. The present thesis contributed for the knowledge of the headland sediment bypassing, demonstrated that the process occur in the study area and documented it even when the pulsative cycle described in literature is not present. It is highlighted the importance of the "big picture" comprehension rather than consider embayed beaches as closed cells.

A interação proporcionada pela passagem de correntes sobre leitos móveis pode resultar na gênese das formas de leito, geralmente encontradas em ambientes subaéreos, rios, lagos, reservatórios e ambientes submarinos. Essas últimas podem ser geradas por correntes de densidade, definidas como fluxos gravitacionais cujo movimento é regido pela diferença de densidade entre o fluxo e o fluido ambiente. Com o intuito de compreender a geração das formas de fundo por correntes de densidade, foram realizados 29 experimentos, nos quais cerca de 4000 litros de uma corrente salina eram injetados em um canal de acrílico de 18 m de comprimento, 0,2 m de largura e 0,5 m de altura, de declividade variável, submerso em um canal maior, preenchido por água. Realizaram-se medições de vazão, velocidade e concentração, além do registro fotográfico da alteração do leito, durante a passagem da corrente e após o término do experimento e esvaziamento do tanque. O's resultados mostraram perfis de velocidade e concentração típicos de correntes de densidade. Além disso, algumas correlações foram encontradas, como a diminuição da altura da velocidade máxima em relação ao leito e aumento da velocidade média, com consequente diminuição da espessura da corrente, devido ao aumento da concentração e/ou inclinação do canal. A ocorrência das formas de fundo se mostrou mais comum para altos valores de vazão e de concentração da corrente de densidade, influenciando diretamente o valor do número de Froude densimétrico (Frd). As correntes reproduziram 8 escoamentos de regime subcrítico e 21 supercríticos, com Frd entre 0,5 e 2,2. As formas geradas foram classificadas conforma a presença de sedimentos em suspenção durante a sua geração e, também, em relação aos valores das tensões de cisalhamento aplicadas pela corrente junto ao leito, resultando na geração de formas de leito plano inferior, ondulações e dunas. As dunas e também, em alguns ensaios, as ondulações, foram observadas em condições supercríticas de escoamento, cenário hidráulico de geração não previsto por modelos fluviais de formas de fundo. Sendo assim, esse estudo evidenciou a existência de diferenças na geração e, consequentemente, na abordagem de classificação das formas de fundo por correntes de densidade, em relação àquelas geradas por escoamentos fluviais. Conclui-se, também, que a metodologia e os equipamentos empregados nesse estudo são adequados para reproduzir a geração de formas de leito por correntes de densidade, e para obter dados caracterizadores das correntes e do leito móvel, aperfeiçoamento do entendimento dos processos envolvidos nesse fenômeno. / Bedforms are sedimentary features generated by the interaction between flow and mobile beds and are observed in subaerial settings, rivers, lakes and in submarine environments. In most cases, bedforms found in submarine settings are generated by density currents, defined as gravitational flows whose movement is governed by the density difference between the current and the environment fluid. This study aimed to improve the knowledge on bedforms generated by density currents in comparison to the fluvial ones. Therefore, we report results from 29 experiments on saline density currentes running over different mobile beds, in an 18-m long and 0.20-m wide acrylic flume submerged in a large fresh water tank. Discharge, velocity (velocity profiler) and concentration (siphons and hydrometer) of the currents were measured during the esperiments, as well as image sequences of the bed modification. After each experiment, the flume was drained and top view pictures were also taken. Results have showed classical velocity and concentration profiles for density currents. In addition, some correlations were identified, such as the decrease of the velocity peak height and increase in the mean velocity (with consequent reduction of the current thickness), due to an increase of the concentration and/or flume slope. The occurrence of bedforms was more likely for high discharge and concentration rates of current density, which directly influence the densimetric Froude Number (Frd). The experiments generated 8 subcritical and 21 supercritical currents, with Frd betwwen 0.5 and 2.2. The bedforms were classified according to the presence of sediments during its generation and in relation to the shear stresses values applied by the current to the bed, resulting in the generation of lower plane bed of ripples and dunes. Dunes and ripples were observed in supercritical flow conditions, which is a hydraulic scenario of bedform generation not provided by fluvial models. Thus, this study demonstrated the existence of differences en generation and, consequently, the classification approach of the background shapes for current density, compared to those generated by river flows. In conclusion, this study showed that the methodogy and equipment used are suitable to reproduce the bedform generation by density currents, and to obtain density currente and moving bed characterizing data, improving the understanding of the processes involved in this phenomenon.

Ingeniero Civil / El lecho de grava en un río puede ser contaminado por partículas de sedimento fino, por ejemplo, en situaciones donde el material fino es liberado de un embalse a través de procesos como el dragado de sedimentos u otros. Procesos de este tipo tienen por finalidad aumentar la capacidad y vida útil del embalse, mejorar las condiciones ambientales de éste, así como reducir las inestabilidades producidas en el río aguas abajo. Sin embargo este proceso es perjudicial para los ecosistemas aguas abajo de la obra, ya que produce la depositación de sedimento fino en los espacios de poros del lecho, modificando el estado natural de este. El proceso de transporte del sedimento liberado se puede generar a través de suspensión o como arrastre de fondo. El objetivo de este estudio es recrear experimentalmente los fenómenos que afectan a sistemas fluviales de este tipo, en particular estudiar el fenómeno del gasto solido de fondo de sedimentos finos sobre un lecho de grava y como se ven afectados ciertos parámetros asociados a la velocidad del flujo. Para investigar el fenómeno se llevó a cabo un estudio experimental en el laboratorio de Hidráulica Francisco Javier Domínguez, ubicado en el Departamento de Ingeniería Civil de la Universidad de Chile. Allí se cuenta con un canal de acrílico de sección cuadrada de 30 cm y un largo de 12 m; una tolva ubicada al inicio del canal que contiene sedimento fino (arena) y una trampa de sedimentos localizada al término del canal. Dentro del canal se dispone de un lecho de grava cuyo diámetro medio es de 45 mm. La acción de la tolva permite insertar sedimento fino de diámetro medio 0,45 mm, hacia el interior del canal. Por otro lado, la trampa de sedimento posibilita la cuantificación del arrastre solido de fondo. La posición de la arena con respecto a la grava se registró a través de un arreglo de cámaras fotográficas localizadas longitudinalmente, mientras que la velocidad del flujo en la zona fotografiada se midió con un Acoustic Doppler Velocimeter (ADV). Resultados derivados de las mediciones de la velocidad del flujo muestran que la intensidad de la turbulencia presenta un comportamiento concordante con las predicciones realizadas por Nezu and Nakagawa (1993). Además se aprecia como el aumento de la exposición de la arena es inversamente proporcional a la intensidad del esfuerzo de corte de Reynolds. Por último, se desarrolla una expresión que permite predecir el gasto sólido de fondo del sedimento fino sobre un lecho de grava inmóvil, en función del esfuerzo de corte de fondo y la exposición de la arena, mostrando una mejora en la precisión con respecto al empleo de las relaciones clásicas para granulometría uniforme como las obtenidas en los estudios de Meyer-Peter y Müller (1948); Frank and Jorgen (1976); Ashida (1972).

Esta tese teve o objetivo de identificar e quantificar os processos geradores da transposição de sedimentos entre praias de enseada e propor um modelo conceitual da dinâmica sedimentar para o norte da Ilha de Santa Catarina, entre as praias arenosas de Santinho, Ingleses, Brava, Lagoinha, Ponta das Canas, Canasvieiras, Jurerê, Forte e Daniela. Para isso, foi dividida em três partes. Nos estudos geomorfológicos do sistema praial, na primeira parte, foram utilizadas imagens aéreas (1957, 1978, 1998, 2002 e 2010), levantamentos da linha de costa com RTKGPS (2012) e topo-batimetria da área emersa e submesa adjacente, além de dados de maré. As imagens foram retificadas, as posições das linhas de costa foram vetorizadas e os erros do processo de retificação relacionados à maré foram calculados. Duas metodologias foram utilizadas: 1) método de regressão linear (tendências) e 2) distâncias Euclidianas em conjunto com análise ano-a-ano. Os resultados indicam o transporte entre as praias no sentido anti-horário, sendo este responsável pelo desenvolvimento de três pontais arenosos ao longo da área, possivelmente alimentados pelo transporte subaquoso de sedimentos das praias a barlamar. O pontal de Ponta das Canas controla a disponibilidade de sedimentos a sotamar. E, quando está se desenvolvendo atua como uma armadilha de sedimentos e as praias a sotamar regridem, quando o pontal se une à costa disponibilizando sedimento, as praias a sotamar progradam. Para a análise do balanço de sedimentos, na segunda parte, foram adquiridos dados de batimetria de detalhe, perfis de praia, transporte de sedimentos, ondas, correntes e marés. Os dados mostram que o volume de sedimentos trapeados decrescem em direção à porção protegida da área de estudo com distribuição de tamanho de grão compatível, suportando a hipótese de conexão entre as praias. Um modelo numérico foi configurado, calibrado e validado através de medições in situ. Três formulas de transporte de sedimentos foram testadas e comparadas com os dados medidos, e aquela que melhor reproduz o processo na área de estudo foi identificada. Ainda, foi realizada uma simulação anual com a intenção de identificar como e onde ocorre o transpasse de sedimentos. Os resultados indicam o sentido anti-horário de transporte na área de estudo. A terceira e última parte consistiu em estudar a contribuição das forçantes; marés, ventos e ondas na indução da transposição de sedimentos, gerando um modelo conceitual para o processo. Foram simulados 26 cenários incluindo diversas condições de marés, ventos e ondas. As ondas representam a principal forçante da transposição entre as praias estudadas, transportando sedimentos com taxas entre duas e três ordens de magnitude acima do transportado por marés ou vento. A transposição de sedimentos ocorre preferencialmente no sentido anti-horário, podendo ocorrer inversões dependendo das condições oceanográficas vigentes. Nas praias voltadas para leste a maior parte da transposição de sedimentos no sentido anti-horário ocorre sob condições de ondas entre sul e leste. Nas praias voltadas para norte, as ondas de nordeste ditam o transporte ao redor dos promontórios. Esta tese contribuiu para o entendimento da dinâmica sedimentar da costa norte da Ilha de Santa Catarina. Foi demonstrado e documentado que a transposição de sedimentos ocorre mesmo quando o padrão cíclico descrito na literatura não está presente. Além disso, foram identificadas as condições necessárias para que o processo ocorra, gerando um modelo conceitual para a área. A transposição de sedimentos é fundamental para o balanço sedimentar, destacando-se a importância da compreensão do todo ao invés de considerar praias de enseada como células fechadas. / This thesis aims to identify and quantify of the process that generate headland sand bypassing, and in doing so develop a conceptual model of these process around the north coast of Santa Catarina island. The research project was divided into three parts: Part 1: Aerial images (1957, 1978, 1998, 2002 e 2010) and a RTK-GPS survey (2012) were used together with a topo-bathymetric data and a tide time-series. The images were rectified, the shoreline extracted and the rectification and tide-related errors were calculated. Two methods were used: 1) linear regression (general trend) and; 2) Euclidean distances together with a year-to-year analyzis. The results indicate the anticlockwise sediment transport which is also responsible for developing three spits along the study area, possibly nourished by the updrift beaches. Ponta das Canas spit, for example, controls the sediment availability of the downdrift areas. When it is growing it acts as a sediment trap and the downdrift areas retreat, when it merges to the coast it spreads the sediment towards the downdrift areas that then progrades; Part 2 is a dataset composed of detailed bathymetry, beach profiles, sediment transport, waves, currents and tides. The data showed that the volume of sediment trapped decreases towards the protected area while maintaining the grain size distribution, supporting the hypothesis of connections between beaches. A numerical model was set up, calibrated and validated (waves, currents and tides). Three sediment transport formulas were tested and compared with measured transport and the one that best reproduce the process was identified. An annual simulation was performed aiming to identify if/where the headland bypassing occurs. The results indicate the anticlockwise sediment transport in the study area; Part 3 consists of a study of the contribution of the driving forces (waves, tides, wind) to headland bypassing, generating a conceptual model for the entire process. Twenty-six scenarios were simulated using several waves, tides and wind conditions. Waves were found to be the main driving force for headland bypassing, transporting sediments in rates two to three orders of magnitude above the transported by tides or winds. The headland bypassing occurs mainly in anticlockwise direction but it can also occur in the opposite direction depending on the wave-tide-wind conditions. In the east-facing beaches, most of the headland bypassing is anticlockwise under waves from the south to east. On the sheltered north-facing beaches, northeast waves dictate the headland sediment transport. The present thesis contributed for the knowledge of the headland sediment bypassing, demonstrated that the process occur in the study area and documented it even when the pulsative cycle described in literature is not present. It is highlighted the importance of the "big picture" comprehension rather than consider embayed beaches as closed cells.

A interação proporcionada pela passagem de correntes sobre leitos móveis pode resultar na gênese das formas de leito, geralmente encontradas em ambientes subaéreos, rios, lagos, reservatórios e ambientes submarinos. Essas últimas podem ser geradas por correntes de densidade, definidas como fluxos gravitacionais cujo movimento é regido pela diferença de densidade entre o fluxo e o fluido ambiente. Com o intuito de compreender a geração das formas de fundo por correntes de densidade, foram realizados 29 experimentos, nos quais cerca de 4000 litros de uma corrente salina eram injetados em um canal de acrílico de 18 m de comprimento, 0,2 m de largura e 0,5 m de altura, de declividade variável, submerso em um canal maior, preenchido por água. Realizaram-se medições de vazão, velocidade e concentração, além do registro fotográfico da alteração do leito, durante a passagem da corrente e após o término do experimento e esvaziamento do tanque. O's resultados mostraram perfis de velocidade e concentração típicos de correntes de densidade. Além disso, algumas correlações foram encontradas, como a diminuição da altura da velocidade máxima em relação ao leito e aumento da velocidade média, com consequente diminuição da espessura da corrente, devido ao aumento da concentração e/ou inclinação do canal. A ocorrência das formas de fundo se mostrou mais comum para altos valores de vazão e de concentração da corrente de densidade, influenciando diretamente o valor do número de Froude densimétrico (Frd). As correntes reproduziram 8 escoamentos de regime subcrítico e 21 supercríticos, com Frd entre 0,5 e 2,2. As formas geradas foram classificadas conforma a presença de sedimentos em suspenção durante a sua geração e, também, em relação aos valores das tensões de cisalhamento aplicadas pela corrente junto ao leito, resultando na geração de formas de leito plano inferior, ondulações e dunas. As dunas e também, em alguns ensaios, as ondulações, foram observadas em condições supercríticas de escoamento, cenário hidráulico de geração não previsto por modelos fluviais de formas de fundo. Sendo assim, esse estudo evidenciou a existência de diferenças na geração e, consequentemente, na abordagem de classificação das formas de fundo por correntes de densidade, em relação àquelas geradas por escoamentos fluviais. Conclui-se, também, que a metodologia e os equipamentos empregados nesse estudo são adequados para reproduzir a geração de formas de leito por correntes de densidade, e para obter dados caracterizadores das correntes e do leito móvel, aperfeiçoamento do entendimento dos processos envolvidos nesse fenômeno. / Bedforms are sedimentary features generated by the interaction between flow and mobile beds and are observed in subaerial settings, rivers, lakes and in submarine environments. In most cases, bedforms found in submarine settings are generated by density currents, defined as gravitational flows whose movement is governed by the density difference between the current and the environment fluid. This study aimed to improve the knowledge on bedforms generated by density currents in comparison to the fluvial ones. Therefore, we report results from 29 experiments on saline density currentes running over different mobile beds, in an 18-m long and 0.20-m wide acrylic flume submerged in a large fresh water tank. Discharge, velocity (velocity profiler) and concentration (siphons and hydrometer) of the currents were measured during the esperiments, as well as image sequences of the bed modification. After each experiment, the flume was drained and top view pictures were also taken. Results have showed classical velocity and concentration profiles for density currents. In addition, some correlations were identified, such as the decrease of the velocity peak height and increase in the mean velocity (with consequent reduction of the current thickness), due to an increase of the concentration and/or flume slope. The occurrence of bedforms was more likely for high discharge and concentration rates of current density, which directly influence the densimetric Froude Number (Frd). The experiments generated 8 subcritical and 21 supercritical currents, with Frd betwwen 0.5 and 2.2. The bedforms were classified according to the presence of sediments during its generation and in relation to the shear stresses values applied by the current to the bed, resulting in the generation of lower plane bed of ripples and dunes. Dunes and ripples were observed in supercritical flow conditions, which is a hydraulic scenario of bedform generation not provided by fluvial models. Thus, this study demonstrated the existence of differences en generation and, consequently, the classification approach of the background shapes for current density, compared to those generated by river flows. In conclusion, this study showed that the methodogy and equipment used are suitable to reproduce the bedform generation by density currents, and to obtain density currente and moving bed characterizing data, improving the understanding of the processes involved in this phenomenon.

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No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) Dissertação Rafaeli Alves.pdf: 6355415 bytes, checksum: 8bcdb9686d59dc4be27221207d5c32a9 (MD5) Previous issue date: 2015-04-27 / Transporte de sedimentos em bacias hidrográficas está relacionado com geomorfologia, ecologia fluvial, estabilidade das estruturas de engenharia e condições de navegação, dentre outros aspectos importantes para o planejamento e o controle de recursos hídricos. Existência de inúmeras variáveis envolvidas na mecânica de transporte de sedimentos e complexidade nas interações de processos físicos tornam difícil o estabelecimento de metodologias indiretas para estimativa de transporte de sedimentos em rios. Desta forma, não existe ainda metodologia universalmente aceita. O principal objetivo do presente trabalho é a análise comparativa de diferentes métodos empíricos disponíveis na literatura para estimativa de descargas sólidas em rios, considerando suas características específicas e resultados de aplicações às bacias dos rios Santa Joana e Santa Maria do Doce e microbacias Sossego e Santa Júlia, inseridas na porção da bacia do rio Doce localizada no Espírito Santo. Foram aplicados os métodos de estimativa indireta de descarga sólida: Einstein Modificado por Colby e Hembree (1955); Colby Simplificado (1957); Engelund & Hansen (1967); Ackers & White (1973); Yang (1973), Karim (1998) e Cheng (2002). Considerando as médias das estimativas de descarga sólida de material de leito (Qsml) relativas às campanhas realizadas em período chuvoso para a seção transversal do rio Doce, de maior porte, o método de Karim (1998), seguido pelo método de Ackers & White (1973), apresentou o maior valor, enquanto que o método de Yang (1973) apresentou o menor. Para os rios Santa Maria do Doce e Santa Joana e os córregos Santa Júlia e Sossego, verificou-se que o método de Ackers & White (1973), seguido de Karim (1998) e Yang (1973) apresentaram as maiores médias, enquanto que os métodos de Cheng (2002) e Engelund & Hansen (1967) apresentaram as menores. O método Simplificado de Colby apresentou as maiores estimativas de descargas sólidas totais (Qst) para todas as seções transversais de todos os cursos d'água monitorados. Concluiu-se que os diferentes métodos indiretos podem resultar em grandes diferenças em estimativas de transporte de sedimento em rios e que, desta forma, resultados de aplicação destes métodos devem ser considerados com muita cautela. Os resultados mostraram a grande importância de realização de campanhas de medição sedimentométricas para avaliação do transporte de sedimentos e definição dos melhores métodos indiretos de estimativa para cursos d'água específicos. / Sediment transportin watersheds is related to geomorphology, river ecology, engineering structures stability and navigation conditions, among many important water resources planning and control aspects. The large number of variables involved in the mechanics of sediment transport and the existing complexity in the interactions of physical processes make it difficult to establish precise indirect methodologies for estimating sediment transport in rivers. Hence, there is still no universally accepted indirect methodology. The main objective of this work is the comparative analysis of different empirical methods available in the literature for estimating solid transportin rivers, considering their specific characteristics and results of applications to the river Santa Joana and Santa Maria do Doce, Sossego e Santa Júlia watersheds, located in the lower portion of the Doce river basin, in Espírito Santo State, Brazil. Einstein Modified by Colby and Hembree (1955); Simplified Colby (1957); Engelund & Hansen (1967); Ackers & White (1973); Yang (1973), Karim (1998) and Cheng (2002) methods for indirect estimation of solid transport were applied. Considering the average estimates of discharge of solid bed material (Qsml) for campaigns developed during rainy periods for the Doce River cross section, the method of Karim (1998), followed by the method of Ackers & White (1973), showed the highest value, while the method of Yang (1973) showed the lowest. For Santa Joana and Santa Maria do Doce rivers and Sossego and Santa Júlia creeks, it was found that the Ackers & White (1973) method, followed by Karim (1998) and Yang (1973) methods, presented the highest values, while Cheng (2002) and Engelund & Hansen (1967) methods showed the lowest. The Simplified Colby method showed the highest estimates of total solid discharges (Qst) for all cross sections of all watercourses sampled. It was concluded that the application of the different indirect methods can result in large differences in estimates of sediment transportin river sand, thus, results from application of these methods should be taken with caution. The results showed the great importance of carrying out sediment transport measurement campaigns to assess sediment transport and choose the best indirect estimation methods for specific watercourses.