Engenharia fluvial - River engineering

O rio Los Angeles é amplamente canalizado com aterros de concreto.

A engenharia fluvial é uma disciplina da engenharia civil que estuda a intervenção humana no curso, características ou caudal de um rio com o intuito de produzir algum benefício definido. As pessoas intervêm no curso natural e no comportamento dos rios desde antes da história registrada - para gerenciar os recursos hídricos , para se proteger contra inundações ou para facilitar a passagem ao longo ou através dos rios. Desde a Dinastia Yuan e os tempos da Roma Antiga , os rios têm sido usados ​​como fonte de energia hidrelétrica . Desde o final do século 20, a engenharia fluvial teve preocupações ambientais mais amplas do que o benefício humano imediato e alguns projetos de engenharia fluvial têm se preocupado exclusivamente com a restauração ou proteção de características naturais e habitats .

A hidromodificação compreende a resposta sistemática às alterações em corpos d'água ribeirinhos e não ribeirinhos, como águas costeiras ( estuários e baías ) e lagos. A Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos (EPA) definiu hidromodificação como a "alteração das características hidrológicas das águas costeiras e não costeiras, que por sua vez pode causar a degradação dos recursos hídricos." A engenharia fluvial tem frequentemente resultado em respostas sistemáticas não intencionais, como a redução do habitat para peixes e vida selvagem e alterações na temperatura da água e nos padrões de transporte de sedimentos .

A partir do final do século 20, a disciplina de engenharia fluvial tem se concentrado mais em reparar degradações hidromodificadas e contabilizar a resposta sistemática potencial às alterações planejadas, considerando a geomorfologia fluvial . Geomorfologia fluvial é o estudo de como os rios mudam de forma ao longo do tempo. Geomorfologia fluvial é o acúmulo de uma série de ciências, incluindo hidráulica de canal aberto , transporte de sedimentos , hidrologia , geologia física e ecologia ribeirinha . A engenharia de rios tenta entender a geomorfologia fluvial, implementar uma alteração física e manter a segurança pública.

Características dos rios

O tamanho dos rios acima de qualquer limite de maré e sua vazão média de água doce são proporcionais à extensão de suas bacias e à quantidade de chuva que, após cair sobre essas bacias, atinge os canais dos rios no fundo dos vales, pelos quais é transportada para o mar.

Hidrografia da bacia da Panônia antes da regulamentação dos rios e lagos no século XIX.
A bacia do rio Mississippi é a maior dos Estados Unidos.

A bacia de um rio é a extensão do país delimitada por uma bacia hidrográfica (chamada de "divisão" na América do Norte) sobre a qual a chuva desce em direção ao rio que atravessa a parte mais baixa do vale, enquanto a chuva cai na encosta mais distante do a bacia hidrográfica flui para outro rio que drena uma bacia adjacente. As bacias hidrográficas variam em extensão de acordo com a configuração do país, indo desde as áreas de drenagem insignificantes de riachos que nascem em terrenos elevados muito próximos da costa e fluem direto para o mar, até imensas extensões de grandes continentes, onde os rios nascem no as encostas das cadeias de montanhas no interior têm que atravessar vastas extensões de vales e planícies antes de chegar ao oceano. O tamanho da maior bacia hidrográfica de qualquer país depende da extensão do continente em que está situada, sua posição em relação às regiões montanhosas em que os rios geralmente nascem e o mar para o qual eles fluem, e a distância entre a fonte e a saída para o mar do rio que o escoa.

A taxa de fluxo dos rios depende principalmente de sua queda, também conhecida como gradiente ou declive. Quando dois rios de tamanhos diferentes têm a mesma queda, o rio maior tem o fluxo mais rápido, pois seu retardo pela fricção contra seu leito e margens é menos proporcional ao seu volume do que no caso do rio menor. A queda disponível em um trecho de um rio corresponde aproximadamente à inclinação do país que atravessa; à medida que os rios sobem perto da parte mais alta de suas bacias, geralmente em regiões montanhosas, sua queda é rápida perto de sua fonte e diminui gradualmente, com irregularidades ocasionais, até que, ao atravessar planícies ao longo da última parte de seu curso, sua queda geralmente se torna bastante □ Gentil. Conseqüentemente, em grandes bacias, os rios, na maioria dos casos, começam como torrentes com um fluxo muito variável e terminam como rios que fluem suavemente com uma descarga comparativamente regular.

Estruturas de controle de enchentes na Barreira do Tamisa, em Londres.

O caudal irregular dos rios ao longo do seu curso constitui uma das principais dificuldades na conceção de obras de mitigação de inundações ou de aumento da capacidade navegável dos rios. Nos países tropicais sujeitos a chuvas periódicas, os rios ficam cheios durante a estação chuvosa e quase não caem durante o resto do ano, enquanto nas regiões temperadas , onde as chuvas se distribuem mais uniformemente ao longo do ano, a evaporação provoca as chuvas disponíveis ser muito menos quente no verão do que nos meses de inverno, de modo que os rios caem para o seu nível baixo no verão e são muito propensos a inundações no inverno. Na verdade, com um clima temperado, o ano pode ser dividido em uma estação quente e outra fria, estendendo-se de maio a outubro e de novembro a abril no hemisfério norte, respectivamente; os rios são baixos e as cheias moderadas são raras durante o período quente, e os rios são altos e estão sujeitos a cheias pesadas ocasionais após uma chuva considerável durante o período frio na maioria dos anos. As únicas exceções são os rios que nascem entre montanhas cobertas de neve perpétua e são alimentados por geleiras ; suas inundações ocorrem no verão devido ao derretimento da neve e do gelo, como exemplificado pelo Rhône acima do lago de Genebra , e o Arve que se junta a ele abaixo. Mas mesmo esses rios podem ter seu fluxo modificado pelo afluxo de afluentes sujeitos a condições diferentes, de modo que o Ródano abaixo de Lyon tem uma vazão mais uniforme do que a maioria dos rios, já que as enchentes de verão do Arve são neutralizadas em grande parte por a fase baixa do Saône desaguando no Ródano em Lyon, que tem suas cheias no inverno quando o Arve, pelo contrário, está baixo.

Outro sério obstáculo encontrado na engenharia fluvial consiste na grande quantidade de detritos que eles trazem na época das cheias, derivados principalmente da desintegração das camadas superficiais das colinas e encostas nas partes superiores dos vales por geleiras, geadas e chuvas. O poder de uma corrente para transportar materiais varia com sua velocidade , de modo que torrentes com uma queda rápida perto das nascentes dos rios podem carregar rochas, pedregulhos e grandes pedras , que são gradualmente aterradas por atrito em seu curso para a frente em ardósia , cascalho , areia e silte , simultaneamente à redução gradual da queda e, consequentemente, da força transportadora da corrente. Consequentemente, em condições normais, a maioria dos materiais trazidos das terras altas por cursos de água torrenciais são transportados pelo rio principal para o mar, ou parcialmente espalhados sobre planícies aluviais durante as inundações; o tamanho dos materiais que formam o leito do rio ou carregados ao longo do rio é gradualmente reduzido ao prosseguir para o mar, de modo que no rio Pó na Itália, por exemplo, seixos e cascalho são encontrados por cerca de 140 milhas abaixo de Turim , areia ao longo nas próximas 100 milhas, e lodo e lama nos últimos 110 milhas (176 km).

Métodos

As melhorias podem ser divididas em aquelas que visam melhorar a vazão do rio, principalmente em condições de enchentes, e aquelas que visam conter o fluxo, principalmente para fins de navegação, embora a geração de energia seja freqüentemente um fator importante. O primeiro é conhecido nos EUA como canalização e o último é geralmente conhecido como canalização .

Canalização

Reduzir o comprimento do canal, substituindo cortes retos por um curso sinuoso, é a única maneira de aumentar a queda efetiva. Isso envolve alguma perda de capacidade no canal como um todo, e no caso de um grande rio com uma vazão considerável é muito difícil manter um corte reto devido à tendência da corrente de erodir as margens e formar novamente um rio sinuoso. canal. Mesmo que o corte seja preservado protegendo as margens, ele pode produzir mudanças de cardumes e elevar o nível de inundação no canal logo abaixo de seu término. No entanto, onde a queda disponível é excepcionalmente pequena, como em terras originalmente recuperadas do mar, como os Fenlands ingleses , e onde, em conseqüência, a drenagem é em grande parte artificial, canais retos foram formados para os rios. Por causa do valor percebido em proteger essas terras férteis e baixas da inundação, canais retos adicionais também foram fornecidos para a descarga da chuva, conhecidos como drenos nos pântanos. Mesmo uma modificação extensa do curso de um rio, combinada com um alargamento de seu canal, freqüentemente produz apenas uma redução limitada dos danos causados ​​pelas enchentes. Consequentemente, tais obras de inundação são proporcionais apenas aos gastos envolvidos quando ativos significativos (como uma cidade) estão sob ameaça. Além disso, mesmo quando bem-sucedidas, essas obras podem simplesmente mover o problema rio abaixo e ameaçar alguma outra cidade. As recentes obras de inundação na Europa incluíram a restauração de planícies de inundação naturais e cursos sinuosos, de modo que a água das inundações é retida e liberada mais lentamente.

A remoção de obstruções, naturais ou artificiais (por exemplo, troncos de árvores, pedras e acúmulos de cascalho) do leito de um rio fornece um meio simples e eficiente de aumentar a capacidade de descarga de seu canal. Essas remoções irão, conseqüentemente, diminuir a altura das enchentes a montante. Todo impedimento ao fluxo, na proporção de sua extensão, eleva o nível do rio acima dele de modo a produzir a queda artificial adicional necessária para conduzir o fluxo através do canal restrito, reduzindo assim a queda total disponível.

A intervenção humana, por vezes, modifica inadvertidamente o curso ou as características de um rio, por exemplo, introduzindo obstruções como resíduos de mineração, comportas para moinhos, armadilhas para peixes, cais indevidamente largos para pontes e açudes sólidos. Ao impedir o fluxo, essas medidas podem aumentar o nível de inundação rio acima. Os regulamentos para a gestão dos rios podem incluir proibições rigorosas no que diz respeito à poluição , requisitos de alargamento de comportas e a elevação obrigatória de suas comportas para a passagem de inundações, a remoção de armadilhas para peixes , que são frequentemente bloqueadas por folhas e lixo flutuante , redução no número e largura dos pilares da ponte quando reconstruídos, e a substituição de açudes móveis por açudes.

Instalando medidores em um rio razoavelmente grande e seus afluentes em pontos adequados, e mantendo registros contínuos por algum tempo das alturas da água nas várias estações, o aumento das enchentes nos diferentes afluentes, os períodos que levam para passar a determinadas estações no rio principal, e a influência que exercem individualmente sobre a altura das enchentes nesses locais, pode ser determinada. Com a ajuda desses registros, e observando os tempos e alturas da subida máxima de uma determinada enchente nas estações dos vários afluentes, o tempo de chegada e a altura do topo da enchente em qualquer estação do rio principal podem ser previsto com notável precisão dois ou mais dias antes. Ao comunicar esses detalhes sobre uma grande enchente para locais na parte inferior do rio, os açudes podem abrir totalmente os açudes móveis de antemão para permitir a passagem da enchente, e os habitantes ribeirinhos recebem avisos oportunos sobre a inundação iminente.

Onde porções de uma cidade ribeirinha estão situadas abaixo do nível máximo de inundação, ou quando é importante proteger as terras adjacentes a um rio de inundações, o transbordamento do rio deve ser desviado para uma barragem de inundação ou confinado em aterros contínuos em ambos os lados . Colocando esses aterros um pouco para trás da margem do leito do rio, um amplo canal de inundação é fornecido para a descarga do rio assim que ele transbordar suas margens, deixando o canal natural inalterado para o fluxo normal. Aterros baixos podem ser suficientes onde apenas inundações excepcionais de verão devem ser excluídas dos prados. Ocasionalmente, os aterros são elevados o suficiente para reter as enchentes durante a maioria dos anos, enquanto provisões são feitas para a fuga de enchentes raras e excepcionalmente altas em locais especiais nos aterros, onde o desgaste da corrente emissora é evitado, e a inundação da terra vizinha é menos prejudicial. Desta forma, evita-se o aumento do custo dos aterros levantados acima do nível de inundação mais alto de ocorrência rara, assim como o perigo de rompimentos nas margens por uma inundação excepcionalmente alta e fluxo rápido, com seus efeitos desastrosos.

Efeitos

A objeção mais séria à formação de diques elevados e contínuos ao longo dos rios, trazendo quantidades consideráveis ​​de detritos, especialmente perto de um lugar onde sua queda foi abruptamente reduzida pela descida de encostas de montanhas para planícies aluviais, é o perigo de seu leito ser elevado por depósito, produzindo um aumento no nível de inundação, e necessitando um aumento dos diques para evitar inundações. Seções longitudinais do rio Pó, tomadas em 1874 e 1901, mostram que seu leito foi materialmente elevado durante este período desde a confluência do Ticino até abaixo de Caranella , apesar da limpeza de sedimentos efetuada pela passagem através das brechas. Portanto, a conclusão dos aterros, juntamente com a sua elevação, só acabaria por agravar os danos das inundações que foram concebidos para evitar, uma vez que a fuga das cheias do rio elevado deve ocorrer mais cedo ou mais tarde.

No Reino Unido, os problemas de inundação de propriedades domésticas na virada do século 21 foram atribuídos a controles de planejamento inadequados que permitiram o desenvolvimento em várzeas. Isso expõe as propriedades da várzea à inundação, e a substituição do concreto por estratos naturais acelera o escoamento da água, o que aumenta o risco de inundações a jusante. No meio - oeste dos Estados Unidos e no sul dos Estados Unidos, o termo para essa medida é canalização. Muito disso foi feito sob os auspícios ou direção geral do Corpo de Engenheiros do Exército dos Estados Unidos . Uma das áreas mais fortemente canalizadas nos Estados Unidos é o oeste do Tennessee , onde todos os rios principais, com uma exceção (o rio Hatchie ), foram parcial ou totalmente canalizados.

Vantagens

A canalização de um fluxo pode ser realizada por vários motivos. Uma delas é tornar um riacho mais adequado para a navegação ou para a navegação de embarcações maiores com calados profundos. Outra é restringir a água a uma determinada área dos fundos naturais de um riacho, de modo que a maior parte dessas terras possa ser disponibilizada para a agricultura. Uma terceira razão é o controle de inundações, com a ideia de dar a um riacho um canal suficientemente grande e profundo para que a inundação além desses limites seja mínima ou inexistente, pelo menos em uma base rotineira. Uma das principais razões é reduzir a erosão natural ; como um curso de água natural se curva para frente e para trás, ele geralmente deposita areia e cascalho no interior dos cantos, onde a água flui lentamente, e corta areia, cascalho, subsolo e solo precioso dos cantos externos, onde flui rapidamente devido a uma mudança na direção. Ao contrário da areia e do cascalho, a camada superficial do solo erodida não se deposita no interior da próxima esquina do rio. Ele simplesmente desaparece.

Desvantagens

A canalização tem vários efeitos previsíveis e negativos. Um deles é a perda de áreas úmidas . As áreas úmidas são um habitat excelente para muitas formas de vida selvagem e, adicionalmente, servem como um "filtro" para grande parte da água doce da superfície do mundo. Outro é o fato de que os fluxos canalizados são quase invariavelmente retificados. Por exemplo, a canalização do rio Kissimmee, na Flórida, foi citada como uma causa que contribui para a perda de áreas úmidas. Esse endireitamento faz com que os riachos fluam mais rapidamente, o que pode, em alguns casos, aumentar enormemente a erosão do solo. Ele também pode aumentar a inundação a jusante da área canalizada, já que grandes volumes de água viajando mais rapidamente do que o normal podem atingir pontos de estrangulamento em um período de tempo mais curto do que de outra forma, com um efeito líquido de controle de inundação em uma área vindo às custas de inundações muito agravadas em outro. Além disso, estudos têm mostrado que a canalização de riachos resulta em declínios nas populações de peixes de rio.

Um estudo de 1971 do rio Chariton no norte do Missouri , Estados Unidos, descobriu que a seção canalizada do rio continha apenas 13 espécies de peixes, enquanto o segmento natural do rio abrigava 21 espécies de peixes. A biomassa de peixes capturados nos segmentos dragados do rio era 80% menor do que nas partes naturais do mesmo riacho. Acredita-se que essa perda de diversidade e abundância de peixes ocorra devido à redução do habitat, eliminação de corredeiras e poças, maior flutuação dos níveis dos riachos e temperatura da água, e mudança de substratos. A taxa de recuperação de um riacho depois de dragado é extremamente lenta, com muitos riachos não apresentando recuperação significativa 30 a 40 anos após a data da canalização.

Política moderna nos Estados Unidos

Pelas razões citadas acima, nos últimos anos, a canalização de fluxo foi grandemente reduzida nos Estados Unidos e, em alguns casos, até parcialmente revertida. Em 1990, o governo dos Estados Unidos publicou uma política de " nenhuma perda líquida de áreas úmidas", segundo a qual um projeto de canalização de rios em um lugar deve ser compensado pela criação de novas áreas úmidas em outro, um processo conhecido como "mitigação".

A principal agência envolvida na aplicação dessa política é o mesmo Corpo de Engenheiros do Exército, que por muitos anos foi o principal promotor da canalização em larga escala. Freqüentemente, nos casos em que a canalização é permitida, pedras podem ser instaladas no leito do novo canal de modo que a velocidade da água seja reduzida e os canais também possam ser deliberadamente curvos. Em 1990, o Congresso dos Estados Unidos deu ao Corpo do Exército um mandato específico para incluir a proteção ambiental em sua missão e, em 1996, autorizou o Corpo do Exército a empreender projetos de restauração. A Lei de Água Limpa dos EUA regula certos aspectos da canalização, exigindo que entidades não federais (ou seja , governos estaduais e locais , entidades privadas) obtenham licenças para operações de dragagem e enchimento. As licenças são emitidas pelo Corpo do Exército com a participação da EPA.

Canalização de rios

Uma seção canalizada do rio Floyd em Sioux City, Iowa
Uma seção canalizada do South Fork do Crow River em Meeker County, Minnesota
Uma grande canalização inicial foi realizada por Johann Gottfried Tulla no Alto Reno .

Rios cuja vazão pode se tornar muito pequena em seu estágio baixo, ou que têm uma queda um tanto grande, como é comum na parte alta dos rios, não podem ter profundidade adequada para navegação puramente por obras que regulam o fluxo; seu nível normal de verão tem que ser aumentado pelo confinamento do fluxo com açudes em intervalos através do canal, enquanto uma eclusa deve ser fornecida ao longo do açude, ou em um canal lateral, para permitir a passagem dos vasos. Um rio é, portanto, convertido em uma sucessão de trechos razoavelmente planos subindo em etapas rio acima, proporcionando navegação em águas paradas comparável a um canal; mas difere de um canal na introdução de açudes para manter o nível da água, na provisão para a descarga regular do rio nos açudes, e nas duas soleiras das eclusas sendo colocadas no mesmo nível em vez de peitoril superior sendo levantado acima do inferior até a extensão da elevação da eclusa, como de costume nos canais.

A canalização garante uma profundidade definida disponível para navegação; e a vazão do rio geralmente é amplamente suficiente para manter o nível de água represado, bem como fornecer a água necessária para o bloqueio. A navegação, entretanto, pode ser interrompida durante a descida de grandes enchentes, que em muitos casos se elevam acima das eclusas; e é necessariamente travado em climas frios em todos os rios por longas e severas geadas e, especialmente, pelo gelo. Muitos rios pequenos, como o Tâmisa acima de seu limite de maré, tornaram-se navegáveis ​​por canalização, e vários rios razoavelmente grandes proporcionaram uma boa profundidade para navios em distâncias consideráveis ​​para o interior. Assim, o Sena canalizado garantiu uma profundidade navegável de 10 12 pés (3,2 metros) de seu limite de maré até Paris, uma distância de 135 milhas e uma profundidade de 6 34 pés (2,06 metros) até Montereau, 62 milhas acima.

Trabalhos de regulação (controle de vazão e profundidade)

À medida que os rios fluem em direção ao mar, experimentam uma diminuição considerável em sua queda e um aumento progressivo na bacia que drenam, devido ao influxo sucessivo de seus vários afluentes. Assim, sua corrente torna-se gradualmente mais suave e sua descarga maior em volume e menos sujeita a variações abruptas; e, conseqüentemente, tornam-se mais adequados para a navegação. Eventualmente, grandes rios, em condições favoráveis, muitas vezes fornecem importantes rodovias naturais para a navegação interior na parte inferior de seu curso, como, por exemplo, o Reno , o Danúbio e o Mississippi . As obras de engenharia fluvial são necessárias apenas para evitar mudanças no curso do riacho, para regular sua profundidade e, principalmente, para consertar o canal de baixa-mar e nele concentrar a vazão, de modo a aumentar tanto quanto possível a profundidade navegável no estágio mais baixo do nível da água.

Obras de engenharia para aumentar a navegabilidade dos rios só podem ser realizadas com vantagem em grandes rios com uma queda moderada e uma vazão razoável em seu estágio mais baixo, pois com uma grande queda a corrente apresenta um grande impedimento para a navegação rio acima, e geralmente há grandes variações no nível da água, e quando a vazão se torna muito pequena na estação seca. É impossível manter uma profundidade de água suficiente no canal de águas baixas.

A possibilidade de garantir uniformidade de profundidade em um rio baixando os cardumes que obstruem o canal depende da natureza dos cardumes. Um baixio mole no leito de um rio é devido ao depósito decorrente de uma diminuição da velocidade do fluxo, produzida pela redução da queda e pelo alargamento do canal, ou pela perda de concentração do fluxo da corrente principal na passagem de uma margem côncava para a próxima no lado oposto. O rebaixamento de tal baixio por dragagem apenas efetua um aprofundamento temporário, pois logo se forma novamente a partir das causas que o produziram. A retirada, além disso, das obstruções rochosas nas corredeiras, embora aumente a profundidade e iguale o fluxo nesses locais, produz um rebaixamento do rio acima das corredeiras por facilitar o efluxo, o que pode resultar no aparecimento de novos cardumes na baixa. estágio do rio. Onde, no entanto, recifes rochosos estreitos ou outros cardumes duros se estendem pelo fundo de um rio e apresentam obstáculos à erosão pela corrente dos materiais moles que formam o leito do rio acima e abaixo, sua remoção pode resultar em melhoria permanente, permitindo o rio para aprofundar seu leito por lavagem natural.

A capacidade de um rio de fornecer uma hidrovia para navegação durante o verão ou durante a estação seca depende da profundidade que pode ser assegurada no canal no estágio mais baixo. O problema na estação seca é a pequena descarga e a deficiência de abrasão nesse período. Uma solução típica é restringir a largura do canal de águas baixas, concentrar todo o fluxo nele, e também fixar sua posição de modo que seja lavado todos os anos pelas enchentes que seguem a parte mais profunda do leito ao longo do linha da corrente mais forte. Isso pode ser efetuado fechando canais subsidiários de águas baixas com diques através deles, e estreitando o canal no estágio baixo por diques transversais de baixo mergulho que se estendem das margens do rio descendo a encosta e apontando ligeiramente para cima, de modo a direcionar a água fluindo sobre eles em um canal central.

Obras estuarinas

As necessidades de navegação também podem exigir que um canal navegável contínuo e estável seja prolongado desde o rio navegável até águas profundas na foz do estuário . A interação do fluxo do rio e da maré precisa ser modelada por computador ou usando modelos em escala, moldados para a configuração do estuário em consideração e reproduzindo em miniatura a vazante e a vazante das marés e a descarga de água doce sobre um leito de areia muito fina, em em que várias linhas de paredes de treinamento podem ser inseridas sucessivamente. Os modelos devem ser capazes de fornecer indicações valiosas dos respectivos efeitos e méritos comparativos dos diferentes esquemas propostos para as obras.

Veja também

Referências

links externos