Formas de fundo experimentais geradas por correntes de densidade salinas e de turbidez : análise do escoamento e do leito móvel

As correntes de densidade são escoamentos originados da diferença de massa específica entre dois meios fluidos, como variações de temperatura, salinidade e/ou material particulado suspenso. As correntes de turbidez são correntes de densidade causadas pela presença de sedimentos em suspensão e os depósitos por elas gerados são denominados turbiditos, potenciais reservatórios de hidrocarboneto e, por isso, de grande interesse da indústria do petróleo e de grupos de pesquisa. As formas de fundo são estruturas sedimentares geradas pela interação desses escoamentos com o leito oceânico, que amparam a interpretação dos parâmetros hidráulicos das correntes geradoras dos depósitos turbidíticos. A modelagem física é uma ferramenta amplamente empregada no estudo das formas de fundo, na qual, muitas vezes, misturas salinas são utilizadas na representação das correntes de turbidez, em função da menor complexidade na operacionalização e obtenção de dados. Apesar das correntes salinas também serem observadas na natureza, e de gerarem formas de fundo, as mesmas não são capazes de gerar depósitos turbidíticos. Dessa forma, o presente estudo teve como objetivo investigar experimentalmente se correntes de densidade salinas (CS) podem ser utilizadas como substitutas de correntes de turbidez (CT) de similares parâmetros de entrada, no que se refere à reprodução dos processos hidráulicos e sedimentológicos e à habilidade de geração e desenvolvimento de formas de fundo do mesmo tipo e dimensões. Para tanto, foi construído um canal de acrílico, de 18 m de comprimento e 3° de inclinação, dentro de um tanque maior, preenchido com água antes de cada experimento. Foram utilizadas três vazões de injeção (270, 320 e 370 L min-1) para cada tipo de corrente, as quais escoaram sobre o fundo do canal de acrílico, preenchido com microesfera de vidro. Os perfis de velocidade e de concentração das correntes foram registrados ao longo do canal, utilizando-se aparelhos UVP e ADV e amostradores compostos de tubos e mangueiras. Fotografias do depósito obtidas de topo e lateralmente permitiram a análise espacial dos comprimentos (λ) e alturas (η) das formas de fundo geradas, e a distribuição granulométrica do material presente no leito foi analisada a partir de amostras coletadas ao longo do canal. Os seis experimentos resultaram em escoamentos de regime supercrítico (Frd > 1), e plenamente turbulentos (42566 1), and fully turbulent (42566 < Reynold number < 66850). Pictures of the deposit obtained from the top and laterally allowed the spatial analysis of wavelengths (λ) and heights (η) of the generated bedforms, and the grain size distribution was determined by samples collection and laser particle size analyzer. Ripples were observed in all six experiments, according to its dimensions, to values of near bed shear stresses (τb) and grain Reynolds values (Re*), to the absence of sediment entrainment, and supported by bedforms stability diagrams. The upstream section of the flume (up to the 10th meter) had its slope increased during the three TC experiments, due to the depositional characteristic of these flows, which, additionally to the increase in near bed concentrations (cb) and shear stresses (τb), resulted in longer bedforms, in relation to those generated by SC. Along the downstream section (from the 10th meter), bed slopes were similar for all experiments and, therefore, it was considered feasible to compare ripples dimensions along this region of the flume. Throughout this region, the dilution and low deposition rates of the TC allowed the hydraulic conditions of these flows to approach those observed in the SC, such as concentrations and velocity distributions. Results were effective in identifying differences in spatial and temporal variations of the hydraulic and sedimentological parameters of SC and TC, demonstrating the role of the suspension of sediments in altering turbulent processes and vertical stratification of these flows, depending on their concentrations. The methodology developed was effective in meeting the proposed objective, since it allowed the identification of differences in variations in the hydraulic and sedimentological parameters of SC and TC, demonstrating the role of the suspension of sediments in altering turbulent processes and vertical stratification of these flows. Bedforms generated in the physical model represent ripples that can be found at downstream zones of turbidites, in which TC develop lower velocities and generate thinner deposits composed of finer grains. The normalized profiles of the experimental supercritical currents of this study scale up well with observations of field-scale turbidity currents in the Monterey Canyon. This suggests that the experimental results can be used to interpret the flows responsible for forming the architecture of major submarine canyon-fan systems. Finally, it is worth noting that the data obtained from this work are satisfactory in the development and / or calibration of numerical simulation models, since they were based on the use of correlations and dimensionless parameters that support the characterization of mobile beds, density currents, and the mechanisms of interaction between these environments

Turbidity currents generating lobes: flow rate influence on 3D experiments without slope break

Turbidity current hydrodynamic properties are evaluated experimentally to understand the formation of turbidity current depositional lobes and the relationship with flow properties, in particular, flow rates. This study focused on the depositional behavior of unconfined turbidity currents through the analysis of three-dimensional experiments performed in a large-scale channel-basin tank without slope break. Three flow rates were simulated when flow velocities, both in longitudinal and transversal directions, were measured and resulting depositional features were evaluated. The three-dimensional physical experiments carried out in this work allowed the identification of two flow rate models with different hydrodynamic characteristics and two distinct lobes. Lower flow rates produced elongated lobate deposits, with characteristic lower flow regime plane bed on the surfaces, characteristic downstream sediment fining that resulted from lower flow velocities, and visibly less turbulent flows from less competent and waning turbidity currents. Higher flow rates showed a more characteristic radial and downstream fining sediment with lobe surfaces displaying ripples and dunes, generated by the higher flow velocities, presumably more turbulent, and more competent turbidity currents

Human health risk assessment for ingestion of groundwater containing metals, in the Palmares do Sul region, Rio Grande do Sul cost

Este trabalho apresenta um estudo prospectivo sobre o risco existente à saúde de moradores da zona rural do município de Palmares do Sul, RS, que consomem água subterrânea provinda de poços ponteira. Para avaliação do risco foi efetuada a caracterização hidrogeológica da região e a interpretação de análises físico químicas, através do uso do software livre Qualigraf e da comparação dos teores das substâncias químicas avaliadas com parâmetros normativos de resoluções regulamentadoras. No cálculo do risco, foram considerados teores dos metais Al, B, Cd, Cr, Cu, Fe, Mn, Pb, Zn, de treze poços ponteira, os quais captam água subterrânea de aquíferos rasos, mais sujeitos à contaminação do que poços tubulares. Aplicou-se a metodologia de avaliação de risco à saúde humana da USEPA, que é dividida em quatro etapas: coleta e avaliação dos dados, avaliação toxicológica, avaliação da exposição, caracterização e quantificação do risco. Identificou-se que 53,8 e 92,3% dos treze poços analisados apresentam teores de ferro e manganês na água, respectivamente, acima dos VMPs da Resolução CONAMA 396/08. O boro apresentou valor acima do VMP em um poço dos três analisados para essa substância. A análise do risco mostrou que todos os valores de HI calculados para receptores adultos que consomem água dos poços analisados são inferiores ao valor unitário e, desse modo, estariam possivelmente isentos do risco devido à presença dos metais selecionados. Dos treze poços considerados, dois apresentaram valores de HI maiores que a unidade, quando os parâmetros do cálculo foram alterados para receptores crianças, evidenciando potencial existência de efeitos toxicológicos adversos não carcinogênicos à saúde das mesmas. Ressalta-se, no entanto, que a água subterrânea e a ingestão oral são apenas um caminho e uma rota de exposição aos metais selecionados para estudo e que também existem incertezas associadas ao cálculo do risco. Nesse sentido, sugerem-se estudos complementares, como maior número e periodicidade de análises, e consideração de outros caminhos de exposição, como água superficial e solo.The study presents some information on the human health risk of residents from the rural zone of Palmares do Sul, in the Rio Grande do Sul State, which consumes groundwater from driven wells. With the view to support the health risk assessment, it was developed a region hydrogeological characterization, the interpretation of the chemical analysis with the Qualigraf software and the comparison between chemical concentration and regulatory resolutions. In order to calculate de health risk of the Palmares do Sul residents, concentrations of Al, B, Cd, Cr, Cu, Fe, Mn, Pb and Zn from 13 driven wells were used. Assessment, which is divided in 4 steps, was used: collecting and analyzing data, toxicity assessment, exposure assessment and risk characterization. It was identified that 53.8 and 92.3% of the thirteen analyzed wells have levels of iron and manganese in water, respectively, above the CONAMA 396/08 regulatory values. The concentration of boron was exceeded only in a well, from three analyzed wells. The risk analysis showed that all the HI values are lower than one, when considering adult receptors which ingest groundwater from driven wells. Thus, those receptors are exempt from possible risk posed by the presence of metals. Two, from thirteen analyzed wells, showed HI values higher than the unity when calculation parameters of the receptors were changed to children, indicating the existence of potential adverse health non-carcinogenic. It is emphasized, that groundwater and oral intake are just one path and one route of exposure between several other, and that there are also uncertainties associated with the calculation of risk. Therefore, further studies are suggested such as increased number and frequency analysis, and consideration of other routes of exposure such as surface water and soil

Formas de fundo experimentais geradas por correntes de densidade salinas e de turbidez : análise do escoamento e do leito móvel

As correntes de densidade são escoamentos originados da diferença de massa específica entre dois meios fluidos, como variações de temperatura, salinidade e/ou material particulado suspenso. As correntes de turbidez são correntes de densidade causadas pela presença de sedimentos em suspensão e os depósitos por elas gerados são denominados turbiditos, potenciais reservatórios de hidrocarboneto e, por isso, de grande interesse da indústria do petróleo e de grupos de pesquisa. As formas de fundo são estruturas sedimentares geradas pela interação desses escoamentos com o leito oceânico, que amparam a interpretação dos parâmetros hidráulicos das correntes geradoras dos depósitos turbidíticos. A modelagem física é uma ferramenta amplamente empregada no estudo das formas de fundo, na qual, muitas vezes, misturas salinas são utilizadas na representação das correntes de turbidez, em função da menor complexidade na operacionalização e obtenção de dados. Apesar das correntes salinas também serem observadas na natureza, e de gerarem formas de fundo, as mesmas não são capazes de gerar depósitos turbidíticos. Dessa forma, o presente estudo teve como objetivo investigar experimentalmente se correntes de densidade salinas (CS) podem ser utilizadas como substitutas de correntes de turbidez (CT) de similares parâmetros de entrada, no que se refere à reprodução dos processos hidráulicos e sedimentológicos e à habilidade de geração e desenvolvimento de formas de fundo do mesmo tipo e dimensões. Para tanto, foi construído um canal de acrílico, de 18 m de comprimento e 3° de inclinação, dentro de um tanque maior, preenchido com água antes de cada experimento. Foram utilizadas três vazões de injeção (270, 320 e 370 L min-1) para cada tipo de corrente, as quais escoaram sobre o fundo do canal de acrílico, preenchido com microesfera de vidro. Os perfis de velocidade e de concentração das correntes foram registrados ao longo do canal, utilizando-se aparelhos UVP e ADV e amostradores compostos de tubos e mangueiras. Fotografias do depósito obtidas de topo e lateralmente permitiram a análise espacial dos comprimentos (λ) e alturas (η) das formas de fundo geradas, e a distribuição granulométrica do material presente no leito foi analisada a partir de amostras coletadas ao longo do canal. Os seis experimentos resultaram em escoamentos de regime supercrítico (Frd > 1), e plenamente turbulentos (42566 1), and fully turbulent (42566 < Reynold number < 66850). Pictures of the deposit obtained from the top and laterally allowed the spatial analysis of wavelengths (λ) and heights (η) of the generated bedforms, and the grain size distribution was determined by samples collection and laser particle size analyzer. Ripples were observed in all six experiments, according to its dimensions, to values of near bed shear stresses (τb) and grain Reynolds values (Re*), to the absence of sediment entrainment, and supported by bedforms stability diagrams. The upstream section of the flume (up to the 10th meter) had its slope increased during the three TC experiments, due to the depositional characteristic of these flows, which, additionally to the increase in near bed concentrations (cb) and shear stresses (τb), resulted in longer bedforms, in relation to those generated by SC. Along the downstream section (from the 10th meter), bed slopes were similar for all experiments and, therefore, it was considered feasible to compare ripples dimensions along this region of the flume. Throughout this region, the dilution and low deposition rates of the TC allowed the hydraulic conditions of these flows to approach those observed in the SC, such as concentrations and velocity distributions. Results were effective in identifying differences in spatial and temporal variations of the hydraulic and sedimentological parameters of SC and TC, demonstrating the role of the suspension of sediments in altering turbulent processes and vertical stratification of these flows, depending on their concentrations. The methodology developed was effective in meeting the proposed objective, since it allowed the identification of differences in variations in the hydraulic and sedimentological parameters of SC and TC, demonstrating the role of the suspension of sediments in altering turbulent processes and vertical stratification of these flows. Bedforms generated in the physical model represent ripples that can be found at downstream zones of turbidites, in which TC develop lower velocities and generate thinner deposits composed of finer grains. The normalized profiles of the experimental supercritical currents of this study scale up well with observations of field-scale turbidity currents in the Monterey Canyon. This suggests that the experimental results can be used to interpret the flows responsible for forming the architecture of major submarine canyon-fan systems. Finally, it is worth noting that the data obtained from this work are satisfactory in the development and / or calibration of numerical simulation models, since they were based on the use of correlations and dimensionless parameters that support the characterization of mobile beds, density currents, and the mechanisms of interaction between these environments

Estudo experimental de formas de fundo geradas por correntes de densidade salina em canal de fundo móvel

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