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X SIMPÓSIO BRASILEIRO DE GEOGRAFIA FÍSICA APLICADA

 

O PAPEL DOS GRANDES DETRITOS ORGÂNICOS NA MORFOLOGIA E SEDIMENTOLOGIA EM CANAIS DE CABECEIRA DE DRENAGEM

Oscar V. Q. Fernandez
Universidade Estadual do Oeste do Paraná (Unioeste), Campus de Marechal C. Rondon, fernandez@unioeste.br

 

 
RESUMO


No leito dos canais de baixa ordem (Classificação de Stralher), os detritos orgânicos provenientes da vegetação ripária (folhas, galhos e troncos) influenciam significativamente nos processos de erosão e sedimentação. Os detritos orgânicos depositados no leito barram parcial ou totalmente a passagem de sedimentos de fundo. O diâmetro dos troncos determina a sua eficiência como barragem. Alguns autores americanos definiram como grandes detritos orgânicos (GDO), os troncos com diâmetro superior a 10 cm. O presente trabalho descreve o papel dos GDO na morfologia do leito e na deposição de sedimentos grossos na cabeceira do córrego Guavirá, município de Marechal Cândido Rondon, oeste do Paraná. O estudo foi executado em três trechos afetados pela presença de GDO, onde foram realizados perfis longitudinais da superfície do leito e da lâmina de água, adotando o método de nivelamento geométrico. Os perfis incluem um trecho de dezenas de metros a jusante e a montante da barragem formado por GDO. Cada barragem de GDO gera uma unidade soleira-depressão. Na soleira, a montante da barragem, a superfície do leito é plana e ocorre expressiva deposição de sedimentos rudáceos. Foi constatado que em cada soleira, o volume médio de sedimentos foi de 17 m3. Imediatamente à jusante das barragens são encontradas depressões estáveis e bem desenvolvidas. Estudos anteriores já constataram que umas das funções da vegetação ripária é dar início à formação de soleiras e depressões, que constituem habitats físicos essenciais na manutenção dos ecossistemas aquáticos. Estas feições geradas pelos GDO podem permanecer inalteradas por décadas, mostrando o papel regulador das barragens na remoção de sedimentos grossos das bacias de baixa ordem.

Palavras-chave: Morfologia de canal fluvial, Canais de primeira ordem, Grandes detritos orgânicos.

Eixo: 3 -Aplicação da Geografia Física à Pesquisa
Sub-eixo: 3.4 – Aplicações temáticas em estudos de casos
 

INTRODUÇÃO

Nas cabeceiras de drenagens, os detritos orgânicos despejados no canal (folhas, galhos e troncos) influenciam significativamente na morfologia fluvial, no processo de transporte, armazenamento e seleção de sedimento de fundo e, no gradiente do canal (Thompson, 1995).
Pesquisadores norte-americanos documentaram a importância das barragens criadas por troncos e galhos (Figura 1) no controle do transporte de sedimentos de fundo e na redução do gradiente do canal (Marston, 1982; Keller & Swanson, 1979; Keller & Tally, 1979; Swanson et al., 1984; Hogan, 1987; Likens & Bilby, 1982 e Thompson, 1995). A Figura 1 mostra as feições topográficas formadas a partir da instalação de uma barragem constituída por um tronco. Este obstáculo cria um nível de base local, formando uma depressão à montante. O poder erosivo do fluxo escava outra depressão logo a jusante da barragem. Se a barragem for estável, a depressão à montante é assoreada com o passar do tempo e transformada em uma soleira.
Os GDO podem atuar eficientemente por períodos que podem variar de 20 a 100 anos (Swanson & Lienkaemper, 1978; Megahan, 1982; Swanson et al., 1984; Hogan, 1987; Kelsey, 1987, Madej, 1987).
Swanson & Lienkaemper (1978) definiram como grandes detritos orgânicos (GDO), os troncos com diâmetro superior a 10 cm. Este conceito foi adotado no presente trabalho.
 

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Figura 1: Perfil esquemático de fluxo e sedimento à montante e à jusante de um tronco (grandes detritos orgânicos) (Adaptada de Thompson, 1995).

 

Nos cursos fluviais que atravessam áreas urbanas, além dos detritos orgânicos, é encontrada uma ampla variedade de fragmentos de materiais manufaturados pelo homem (tijolos, pneus, plásticos, resto de sofá, etc). Estes artefatos, por serem de menor tamanho do que os troncos desempenham um papel secundário na barragem de sedimentos de fundo. Em canais de primeira ordem e cursos intermitentes, troncos com diâmetro inferior a 10 cm, galhos e folhas podem constituir barragens eficientes (Faria, 2000).
O presente trabalho discute o papel dos GDO na retenção temporária de sedimentos de carga de fundo e na formação de unidades soleira-depressão no córrego Guavirá, município de Marechal Cândido Rondon, região oeste do Paraná (Figura 2). Desde a nascente até o trecho em estudo, o córrego possui 5 km de extensão e drena 11,12 km2. Aproximadamente a metade desta área é ocupada pela sede urbana do município. A outra metade é utilizada na agricultura. O clima da região é do tipo Cfa (classificação climática de Köppen), subtropical, úmido, mesotérmico, com precipitação média anual de 1.600 a 1.700 mm (IAPAR, 1994). O córrego Guavirá corta regolitos originados da alteração de rochas basálticas da Formação Serra Geral, de idade eojurassica-neocretácea (Rocha-Campos et al., 1988). Na cabeceira, o canal do córrego Guavirá encontra-se encaixado e apresenta padrão meândrico. No trecho em estudo, a profundidade máxima do canal chega a 3 m e o índice de sinuosidade igual a 1,70.
 

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Figura 2: Localização dos trechos em estudo na cabeceira do córrego Guavirá, Marechal C. Rondon, oeste do Paraná


DEFINIÇÃO DE SOLEIRAS E DEPRESSÕES

Soleiras e depressões são formas topográficas do leito que se alternam em cursos fluviais caracterizados por gradiente do talvegue inferior a 0,05 e sedimentos de fundo compostos por materiais grossos (D50> 3 mm). A soleira constitui trecho do talvegue topograficamente elevado, com fluxo convergente, material de fundo formado por sedimentos grossos e gradiente da lâmina de água superior ao gradiente médio correspondente ao trecho. Por sua vez, a depressão compreende um trecho rebaixado do leito, com fluxo divergente, material do leito formado por sedimentos mais finos e gradiente da lâmina de água inferior à média do trecho. Estas condições conferem às soleiras maior velocidade de fluxo do que nas depressões.
A origem destas feições está intimamente ligada aos processos erosivos e deposicionais associados ao meandramento (erosão e acreção nas margens e do leito, evolução de barras centrais e laterais). Via de regra, as depressões estão localizadas nas proximidades das curvas e as soleiras nos pontos de inflexão dos meandros (Figura 3).
 

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Figura 3: Diagrama idealizado mostrando o meandramento do canal fluvial numa perspectiva planimétrica (A) e ao longo do perfil longitudinal (B) (Adaptada de Keller & Melhorn, 1978).

 

Para explicar a formação das soleiras e depressões, Keller (1971) formulou a hipótese da reversão da velocidade do fluxo (“hypothesis of velocity reversal”). Este fenômeno consiste na variação da velocidade do fluxo nas soleiras e depressões conforme aumenta o nível de água. A velocidade do fluxo próximo ao leito é maior nas soleiras do que nas depressões nas baixas descargas. Por essa razão, os sedimentos finos são removidos das soleiras e depositados nas depressões (remoção seletiva), dando como resultado, o seguinte quadro sedimentológico: as soleiras são capeadas por sedimentos grossos e as depressões por sedimentos finos. Conforme aumenta o nível de água, também aumenta a velocidade do fluxo, caracterizando uma correlação direta entre ambas as variáveis (Leopold & Maddock, 1953). Keller (1971) verificou que com o incremento da vazão, a taxa de aumento da velocidade é maior nas depressões do que nas soleiras. Próximo do nível de vazão plena, a velocidade do fluxo nas depressões ultrapassa a velocidade nas soleiras, causando erosão nas depressões e deposição nas soleiras. A este fenômeno, Keller (1971) denominou ‘reversão da velocidade’.
Soleiras e depressões também podem ser geradas pela presença de obstáculos nos canais, como troncos derivados da vegetação ripária. Lisle (1987) observou que GDO estáveis determinam a posição da soleira. Também constatou que as depressões mais profundas situam-se logo a jusante de afloramentos rochosos ou de barragens de GDO. A mudança no regime de fluxo (fluxo laminar para turbulento) a jusante dos obstáculos favorece a erosão do leito, formando profundas depressões.

ESTUDO DAS SOLEIRAS E DEPRESSÕES NO CÓRREGO GUAVIRÁ.

As características morfológicas e sedimentológicas de soleiras e depressões desenvolvidas no córrego Guavirá foram levantadas ao longo de um trecho de 250 m (Figura 4) desde o ano de 2000. Os resultados foram publicados por Fernandez & Soares (2002), Fernandez (prelo) e Fernandez et al. (prelo). A maioria das soleiras e depressões no córrego Guavirá está associada com afloramento de rocha basáltica ou com a presença de barragens estáveis de GDO. Na atualidade, a vegetação ripária existe em apenas alguns trechos do córrego.
Dentre as feições identificadas no córrego Guavirá, duas depressões foram originadas pela presença de GDO e localizadas logo a jusante da barragem de troncos: as depressões D6 e D12 (Figura 4). No presente trabalho, estas depressões são denominadas de pontos 3 e 2 respectivamente (Figura 2).
 

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Figura 4: A) Traçado da linha das margens e localização das soleiras e depressões no córrego Guavirá. As soleiras e depressões são numeradas seqüencialmente de jusante para montante. B) Perfis longitudinais da borda da margem, lâmina d’água e talvegue (Fernandez & Soares, 2002).


MÉTODOS

No curso superior do córrego Guavirá, foram observadas inúmeras barragens criadas por troncos de vários tamanhos. Geralmente os troncos estão dispostos em posições oblíquas com respeito à direção do fluxo, fazendo com que sua eficácia como barragem seja apenas parcial. Foram selecionadas três barragens constituídas por troncos com diâmetros superiores a 10 cm e posicionados transversalmente à linha de fluxo (Figura 2).
Em cada ponto, foram levantados perfis longitudinais do talvegue e da linha da água, tanto a montante como a jusante da barragem de material orgânica, mediante técnica de nivelamento geométrico, tendo como referencia uma cota arbitrária. (100 m). Também foram coletadas amostras de sedimentos de fundo na soleira gerada a montante da barragem e na depressão localizada a jusante do tronco. A circunferência do tronco foi obtida com trena. Para estimar o volume de material retido, foram medidos em campo a largura do canal e o comprimento do depósito de soleira. A espessura média do depósito foi estimada subtraindo o valor da cota do depósito de soleira e a cota da linha imaginária que une o leito nas duas depressões situadas a montante e a jusante da soleira.
A análise sedimentológica do material de fundo coletado nas soleiras e depressões foi realizada por dois métodos: peneiramento convencional para as amostras arenosas e análise in situ para amostras rudáceas. O último método segue a seguinte seqüência: amostragem aleatória de pelo menos 100 partículas na superfície do depósito (Wolman, 1954) e obtenção da distribuição do diâmetro intermediário de cada partícula usando um gabarito metálico denominado cascalhometro (Hey & Thorne, 1983; Yuzyk, 1986; Rohenkohl & Fernandez, 2003). O cascalhometro é uma placa metálica que possui 12 aberturas: 2; 4; 8; 11,3; 16; 22,6; 32, 45,3; 64; 90; 128 e 180 mm. Com base nessas aberturas, é realizado o agrupamento de cada partícula na respectiva classe textural.

RESULTADOS

Perfil Longitudinal do Leito
Os perfis longitudinais do talvegue e da lâmina da água levantados nos pontos 1, 2 e 3 (Figura 2) são mostrados na Figura 5. Em comparação com as soleiras e depressões formadas pela variação da tensão de cisalhamento do fluxo ao longo do tempo (Fernandez, 2003), as originadas pelos GDO apresentam maiores dimensões. A profundidade residual das depressões formadas pelos GDO é superior a 1 m no tramo estudado do córrego Guavirá. A profundidade residual, tanto da soleira como da depressão, é a profundidade da água nos períodos de extrema estiagem.
 

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Figura 5: Perfil longitudinal a montante e jusante da barragem de GDO nos pontos 1 (A), 2 (B) e 3 (C). O diâmetro dos troncos e a estimativa do volume de material retido são indicados em cada figuras.

 

A eficiência das barragens nos pontos estudados não depende, apenas do diâmetro do tronco, mas também da sua estabilidade e da quantidade de outros detritos que pode reter. No ponto 1 são representados vários troncos menores que acompanham o tronco principal com 22 cm de diâmetro (Figura 5A). Este conjunto aumentou significativamente a eficácia da barragem, retendo um volume significativo de sedimentos, em comparação com os outros dois pontos estudados.

Sedimentologia dos Depósitos Associados aos GDO.
Após a instalação dos troncos no canal, o regime de fluxo a jusante e a montante da barragem é alterado: a turbulência a jusante é notoriamente maior do que a montante. Os troncos atuam como níveis de base local e favorece o acúmulo de sedimento a montante. Dessa forma, a depressão formada no inicio da instalação da barragem (Figura 1), dá lugar a uma soleira bem desenvolvida. Assim é formada uma seqüência soleira-depressão em torno da barragem de GDO.
No Quadro 1 são mostradas as características granulométricas dos sedimentos nas soleiras e depressões nos três pontos estudados. Foram consideradas as principais características granulométricas (D16, D50 e D84) e, os coeficientes de gradação e de Manning.
 

 

 

Ponto/Feição

 

Classificação

textural

(escala Wentworth)

 

Características granulométricas

(mm)

 

Coeficiente de Gradação

sgrad

 

Coeficiente de Manning (n)

D16

D50

D84

1

Montante (soleira)

Seixo

3,09    

8,81    

19,47

2,53

0,020

Jusante (depressão)

Areia grossa

0,49

1,00

3,25

2,64

0,015

2

Montante (soleira)

Seixo

19,42

25,97

32,17

3,91

0,022

Jusante (depressão)

Seixo

1,23

4,59

13,69

3,35

0,019

3

Montante (soleira)

Seixo

0,59

5,50

13,93

5,93

0,019

Jusante (depressão)

Areia grossa

0,35

0,60

1,45

2,07

0,013

Quadro 1: Características granulométricas dos sedimentos a jusante e montante das barragens de GDO nos pontos em estudo no córrego Guavirá.

O percentis D16, D50 e D84 foram obtidos graficamente através da interpretação das curvas granulométricas. O coeficiente de gradação (grad) fornece a dispersão da distribuição a partir de percentis fornecidos em milímetro (Simons & Sentürk, 1992; Julien, 1995; Yang, 1996). Este parâmetro foi calculado a partir da equação:
 

.......................................................................... (1)
O coeficiente grad é um parâmetro freqüentemente usado em Engenharia e representa o desvio padrão, em torno do diâmetro médio dos grãos, cuja curva granulométrica é representada por uma lei de distribuição de freqüência log-normal. Se todos os grãos do leito tiverem o mesmo diâmetro, diz-se que o leito apresenta uma granulometria uniforme, não degradada. Neste caso, o coeficiente grad =1,0. O valor do coeficiente de gradação variou de 2,07 até 5,93, caracterizando sedimentos com granulometria muito estendida, constituindo leitos degradados.
Chin (1989) descreveu a deposição de sedimentos finos a montante das barragens e o encouraçamento do leito a jusante. Este processo pode ocorrer em áreas densamente florestas e em barragens recém criadas. No caso do córrego Guavirá, a bacia encontra-se quase totalmente desmatada e os troncos das barragens estudadas estão estacionadas faz algumas décadas. Esta longa evolução permitiu a formação de uma extensa soleira e a escavação de uma profunda depressão à jusante das barragens.
Também se estimou o coeficiente de rugosidade de Manning (n) dos materiais de fundo através da expressão de Meyer-Peter & Muller, aplicável em leitos com proporção significativa de sedimentos rudáceos.
.n= 0,038(D90)1/6......................................................................................... (2)
Onde D90 é o diâmetro da peneira, em metros, correspondente à passagem de 90% do material em peso.O coeficiente de rugosidade de Manning varia amplamente em canais naturais. Em rios de planície de pequeno porte (largura<30 m), sem obstáculos, n pode variar de 0,025 a 0,045 e em canais com obstáculos de 0,050 até 0,080 (Baptista et al., 2001). Os valores apresentados acima somam a rugosidade apresentada pelo leito e margens. Os valores do Quadro 1, referem-se apenas à rugosidade referente ao material do leito, sendo essa a razão dos valores de n serem inferiores aos valores de tabela.
Nos três pontos estudados neste trabalho, foi observado que o diâmetro dos materiais de fundo acumulados nas soleiras apresentam maior calibre, daqueles encontrados nas depressões. Esta situação também se repete nas seqüências de soleiras e depressões, formadas pela variação espacial da tensão de cisalhamento. A diferença na granulometria é maior nos períodos com baixas vazões, quando impera a remoção de sedimentos finos nas soleiras e a posterior deposição deste nas depressões subseqüentes. Este processo de transporte dos materiais de fundo gerou o encouraçamento do leito (predomínio de sedimentos rudáceos na superfície dos depósitos) observado na soleira e a predominância de sedimentos mais finos nas depressões. Esta situação é bem destacada no Quadro 1.

CONCLUSÃO

As três barragens de GDO estudadas neste trabalho fornecem um quadro morfológico e sedimentológico das soleiras e depressões geradas pelos troncos. O trabalho foi desenvolvido num córrego de segunda ordem, localizada na região oeste do Paraná, que drena grande parte da área urbana da cidade de Marechal Cândido Rondon (31.000 habitantes). Os troncos que constituem as barragens nos pontos estudados derivam da vegetação ripária removida nas décadas de 60 e 70. Os agricultores também constroem barragens com troncos maiores para criar reservatórios de água, usados na irrigação.
Uns dos papeis benéficos da mata ciliar é fornecer troncos e galhos para formar barragens de GDO e gerar unidades de soleiras e depressões estáveis, que constituem habitats físicos essenciais na manutenção dos ecossistemas aquáticos. As barragens de GDO também garantem a permanência temporária de um volume considerado de sedimentos grossos nos trechos superiores das bacias.

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