Buarque, Diogo Costa

Collischonn, Walter

Fagundes, Hugo de Oliveira

Fan, Fernando Mainardi

Kornowski, Luísa Weizenmann

Paiva, Rodrigo Cauduro Dias de

Santos, Leonardo Laipelt dos

Siqueira, Vinícius Alencar

Portuguese

Lume 5.8

 XIV Encontro Nacional de Engenharia de Sedimentos 1 FLUXOS DE SEDIMENTOS EM SUSPENSÃO SIMULADOS NA AMÉRICA DO SUL - PARTE 2: ANÁLISE ESPAÇO-TEMPORAL  Hugo de Oliveira Fagundes 1; Fernando Mainardi Fan 2; Rodrigo Cauduro Dias de Paiva 3; Vinicius Alencar Siqueira 4; Diogo Costa Buarque 5; Luísa Weizenmann Kornowski 6; Leonardo Laipelt dos Santos 7; Walter Collischonn 8 ABSTRACT – Erosion and sediment transport models are useful tools to improve the comprehension of sediment-related processes. Using the MGB-SED SA model presented in part 1 of this work, we performed a temporal and spatial analysis of suspended sediment fluxes over South America. We use maps and graphics to show the results of the model simulation. It was estimated using MGB-SED SA that South America naturally (without impoundments) daily delivery to the oceans 3.10×1010 m³ of water and 2.76 Mt of suspended sediment. The results showed the importance of model calibration at the continental scale and the use of a hydrodynamic routing method, in which both improve model estimates. Floodplains play a essential role trapping sediments and smoothing out the peaks of suspended sediment discharges. The Amazon, Magdalena and La Plata have the highest annual sediment transport and deposition rates.   Palavras-Chave – Erosão; MUSLE; MGB-SED. 1 - INTRODUÇÃO Modelos de erosão e transporte de sedimentos são ferramentas que permitem representar processos físicos com formulações matemáticas e assim representar os fenômenos que ocorrem na natureza. Na parte 1 desse trabalho, foi apresentado o modelo de sedimentos da América do Sul MGB-SED SA, semi distribuído e com passo de tempo diário. Esse modelo foi calibrado e validado se mostrando capaz de representar os fluxos de sedimentos na escala continental. Por ser uma região que transporta elevadas cargas de sedimentos (Syvitski et al., 2014), a América do Sul (AS) se torna um objeto de pesquisa importante. De acordo com Borrelli et al. (2017) as taxas de erosão na AS se apresentaram elevadas (>10 t/ha.ano) em 2012 e aumentaram com relação ao ano de 2001.   1) Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Avenida Bento Gonçalves, 9500, Porto Alegre; h.o.fagundes@hotmail.com; 51 33086670 2) Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Avenida Bento Gonçalves, 9500, Porto Alegre; fernando.fan@ufrgs.br; 51 33086670 3) Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Avenida Bento Gonçalves, 9500, Porto Alegre; rodrigocdpaiva@gmail.com; 51 33086670 4) Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Avenida Bento Gonçalves, 9500, Porto Alegre; vinisiquera@gmail.com; 51 33086670 5) Universidade Federal do Espírito Santo, Av. Fernando Ferrari, Goiabeiras, 514, Vitória; diogo.buarque@gmail.com; 27 33352853 6) Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Avenida Bento Gonçalves, 9500, Porto Alegre; luisa_wk@hotmail.com; 51 33086670 7) Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Avenida Bento Gonçalves, 9500, Porto Alegre; leonardo.laipelt@ufrgs.br; 51 33086670 8) Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Avenida Bento Gonçalves, 9500, Porto Alegre; waltercollischonn@gmail.com; 51 33086670  XIV Encontro Nacional de Engenharia de Sedimentos 2 Apesar de muitos estudos já realizados na AS, ainda existem diversas lacunas que não foram preenchidas, tais como: porque as planícies na AS são importantes? Porque considerar a hidrodinâmica fluvial nos estudos de sedimentos? Como se dá os padrões espaço-temporais dos sedimentos em suspensão na AS? O objetivo desse trabalho é, portanto, fornecer primeiras respostas para essas perguntas baseadas em modelagem em grande escala. 2 - METODOLOGIA Um estudo dos padrões das descargas de sedimentos em suspensão foi conduzido usando séries temporais, a partir do modelo calibrado. Para essas mesmas séries, calculou-se as QSS simuladas com os métodos de propagação inercial (com planície) e Muskingun-Cunge (sem planície) para avaliar o impacto da propagação hidrodinâmica, e da representação das planícies de inundação no transporte e deposição dos sedimentos no continente. Para compreender a dinâmica espacial dos fluxos de sedimentos na AS foram calculadas médias de longo período, apresentadas na forma de mapas. Foi avaliado o impacto global da calibração e da propagação hidrodinâmica (inercial) nas estimativas das cargas de sedimentos em suspensão que chegam aos Oceanos. Para isso nós comparamos as cargas estimadas a partir de uma simulação com propagação hidrodinâmica sem calibração (isto é, atribuindo os valores 11,8 e 0,56 para os parâmetros α e β, respectivamente) versus uma simulação com as cargas estimadas com os métodos inercial e Muskingun-Cunge usando a versão calibrada do modelo. 3 - RESULTADOS E DISCUSSÃO 3.1 - Séries temporais A Figura 1 apresenta a comparação entre os valores diários simulados e os dados observados de QSS para alguns grandes rios da América do Sul. As métricas apresentadas foram calculadas considerando apenas os valores nas datas das observações.  A estação Apavi, no rio Magdalena (Figura 1-1), apresenta muitos dados observados e, no geral, houve concordância entre os dados simulados e observados (𝐵𝐼𝐴𝑆=-14%). Na bacia Amazônica o modelo simulou de forma adequada os sedimentos, o que pode ser visto nas estações Óbidos (Figura 7-2) e Altamira (Figura 7-3), com essa última apresentando um 𝐵𝐼𝐴𝑆=0%.  O impacto da hidrodinâmica fluvial no transporte de sedimentos pode ser observado na estação de Óbidos, em que se observa a influência das planícies de inundação no armazenamento de sedimentos e, consequente, uma redução dos picos de QSS (QSS MC > QSS IN).   XIV Encontro Nacional de Engenharia de Sedimentos 3 Na estação Propriá o 𝐵𝐼𝐴𝑆 foi de 1.087% e se observa que os valores observados de QSS são sempre muito baixos (Figura 7-3). Nesse caso, esses valores observados baixos estão associados com a retenção de sedimentos em grandes reservatórios a montante da estação. Destacar esse fenômeno é importante, pois nesses casos a dinâmica temporal observada se mostra inconsistente com a descarga natural de sedimentos nos rios simulada pelo modelo.  Figura 1 - Comparação entre dados observados (QSSobs – asteriscos pretos) e descarga de sedimentos em suspensão simulada (QSS) para alguns grandes rios da América do Sul. A performance do modelo é apresentada em termos de correlação (𝑟) e 𝐵𝐼𝐴𝑆 (%) para a modelagem com propagação inercial. Séries temporais diárias simuladas são apresentadas para os métodos de propagação inercial (QSS IN – linhas azuis) e Muskingum-Cunge (QSS MC – linhas vermelhas). As linhas tracejadas apresentam as respectivas medias de longo período. 3.2 - Análises espaciais Na Figura 2-a se apresenta o valor anual médio de longo período da variável calibrada QSS (t/ano). A partir dos resultados simulados, o rio Amazonas é aquele com maior QSS (3,89×108 t/ano), seguido dos rios Magdalena (7,57×107 t/ano) e La Plata (5,07×107 t/ano). O Magdalena transporta uma carga seis e dez vezes maior que aquelas transportadas pelos rios São Francisco (1,20×107 t/ano) e Tocantins (7,29×107 t/ano), que possuem o dobro de sua área de drenagem. As vazões médias dos rios São Francisco e Tocantins são 56% menor e 88% maior, respectivamente, que a do rio Magdalena. O rio Doce transporta uma carga em suspensão de 4,81×106 t/ano, equivalente a 40% da carga transportada pelo rio Tocantins, mesmo possuindo uma área de drenagem (vazão) dez (quatorze) vezes menor. Menciona-se ainda que a Figura 2-a representa uma situação potencial do transporte nos rios, visto que não foi considerado a retenção de sedimentos nos reservatórios.  XIV Encontro Nacional de Engenharia de Sedimentos 4 Rios como o São Francisco e Paraná, por exemplo, atualmente apresentam águas mais transparentes a jusante dos barramentos.  Figura 2 - Média anual da a) descarga de sedimentos em suspensão (QSS) na América do Sul; b) QSS específica. Valores das barras de cores estão em escalas logarítmicas.  A Figura 2-b permite visualizar de forma mais clara quais são as regiões em que ocorrem os maiores aportes de sedimentos para os rios. Se destacam as regiões próximas aos Andes e a região sudesta da América do Sul com aquelas com as maiores valores de QSS (t/ano.km²). As regiões com menores valores na Figura 2-b são observadas nas regiões mais planas, como alguns afluentes do alto Madeira e a parte noroeste da bacia La Plata; e também as regoões com clima árido (deserto do Atacama) ou semiárido (nordeste brasileiro). A Figura 3 mostra os rios da AS com maiores valores de Q e concentração de sedimentos em suspensão (CSS) segundo os resultados da modelagem. A figura mostra que as maiores concentrações na bacia do rio Amazonas estão localizadas nas cabeceiras do rio Madeira, e os demais que tem suas cabeceiras nos Andes, como já conhecido por trabalhos anteriores (Amsler e Drago, 2009; Cohen et al., 2014; Latrubesse et al., 2005). O padrão encontrado dos trechos de rio com maiores e menores concentrações na Amazônia central se ajustam bem aos resultados encontrados por Fassoni-Andrade e Paiva (2019) utilizando observações por sensoriamento remoto. Outros rios que se apresentam com concentrações elevadas são o Magdalena, Pilcomayo, e os rios mais ao sul da América do Sul (Negro e Desaguadero), mas esses últimos não tinham estações  XIV Encontro Nacional de Engenharia de Sedimentos 5 para que as informações fossem validadas e nem quantificado o erro das estimativas. Os rios amazônicos que não drenam as porções Andinas apresentam baixas concentrações, como o rio Negro, Tapajós e Xingu (Figura 3), e apresentam elevadas vazões (>9.700 m³/s na média, ver Latrubesse et al., 2005).  Figura 3 - média anual da carga de sedimentos em suspensão depositada nas principais planícies de inundação da América do sul; e média diária de longo período da concentração de sedimentos em suspensão (CSS) e vazão (Q) para os grandes rios. As áreas inundadas foram obtidas de Fluet-Chouinard et al. (2015). Estimou-se que 1,17×109 t/ano de sedimentos em suspensão (SS) chegam aos rios em condições naturais (ou seja, sem barramentos). Desses, cerca de 1,11×108 t/ano (9,4%) ficam retidos nas planícies de inundação antes de chegar aos Oceanos. O efeito da deposição de SS nas planícies é bastante evidente nas partes altas do rio Madeira (Figura 3), ocasionando uma forte redução nos valores de SSC de montante para jusante. A avaliação nas grandes áreas inundadas (Figura 3) mostrou que 53% (5,26×107 t/ano) dos SS ficam depositados nelas. As três planícies com maiores  XIV Encontro Nacional de Engenharia de Sedimentos 6 quantidades de SS depositados são: delta do rio Magdalena (2×107 t/ano), Amazônia Central (1×107 t/ano) e wetlands interfluviais do Peru (1×107 t/ano).  3.3 - Balanço anual de sedimentos O impacto da calibração do modelo (apresentado na parte 1 desse trabalho) e da propagação hidrodinâmica na América do Sul também foi avaliado por meio das cargas em suspensão que deixam o continente. Quando se utilizou o modelo hidrodinâmico sem calibração, o valor da QSS que chega aos oceanos foi de 2,86×109 t/ano. Após a calibração, esse valor foi de 1,00×109 t/ano, o que significa que o MGB-SED SA calibrado estimou valores 65% menores. Ao considerar a calibração e utilizar o método de propagação Muskingun-Cunge o valor aumentou em 12% (1,12×109 t/ano). Syvitski et al. (2005) estimaram que a QSS da AS antes da ocupação humana é, na média, de 2,68×109 t/ano, valor 268% maior que o estimado com o MGB-SED SA calibrado e 6% menor que o modelo sem calibração. Em seu estudo global sobre rios tropicais, Syvitski et al. (2014) destacaram que a maioria dos trabalhos com modelagem usam condições de contorno que não consideram a deposição dos sedimentos nos deltas juntos aos oceanos, o que poderia reduzir o valor dos SS que efetivamente deixam a parte continental. Nesse trabalho, nós representamos parcialmente esse efeito, uma vez que o modelo não considera bacias litorâneas e ilhas com A<1.000km² nem regiões costeiras submersas. Estimou-se com o MGB-SED SA que a AS naturalmente (sem considerar barramentos) transportaria em média para os oceanos 3,10×1010 m³ de água e 2,76×106 t de SS diariamente. Desse total, 57% do volume de água e 39% do volume de sedimentos em suspensão vem da bacia Amazônica. A Figura 4 apresenta um balanço mensal estimado pela modelagem de sedimentos e descarga líquida para a América do Sul e diversos dos seus principais rios. Nota-se que ao longo do ano os valores de QSS na AS variam entre 40-60×106 t/dia, com maiores valores ocorrendo entre fevereiro e julho (Figura 4-a). Já a deposição de SS nas planícies tem maiores valores entre os meses de janeiro e junho. No rio Amazonas, o pico do aporte de sedimentos acontece em Março, junto com o pico da deposição nas planícies, mas o pico da QSS só ocorre em Abril (Figura 4-b). A dinâmica do rio Amazonas é influenciada principalmente pelos aportes que recebe de cada rio, que se relaciona com o a alternância dos períodos chuvosos no sul e no norte da bacia (Villar et al., 2008).  O rio Magdalena apresenta dois picos de Q e dois de QSS (Figura 11-c), estando os primeiros picos deslocados em cerca de 2 meses (maio-julho) e os últimos em cerca de 1 mês (novembro-dezembro). Os picos da deposição de SS nas planícies ocorrem em junho, entre os primeiros picos de QSS e Q, e em novembro, concomitantemente com os picos da Q e QSS. Isso indica que em novembro a inundação nas planícies do rio Magdalena são mais intensas.  XIV Encontro Nacional de Engenharia de Sedimentos 7  Figura 4 - Balanço anual de sedimentos da América do Sul e de alguns grandes rios. As figuras a-f mostram a vazão (Q) em linhas azuis, a carga de sedimentos em suspensão estimada com a equação MUSLE em círculos cinzas, a descarga de sedimentos em suspensão (QSS) em círculos marrons e os sedimentos em suspensão depositados nas planícies de inundação (Dep_fp) em círculos amarelos. Os valores de Dep_fp são uma ordem de grandeza menor que os demais valores de sedimentos, assim, nós multiplicamos esses valores em dez vezes para apresentar na figura.  4 - CONCLUSÃO A partir das análises das séries temporais e das análises espaciais a partir dos resultados do modelo MGB-SED SA, as principais conclusões obtidas foram: • A utilização do método de propagação hidrodinâmica permitiu melhores estimativas dos sedimentos em suspensão, especialmente os picos de QSS simulados em locais com planícies de inundação.  Ao utilizar o método de propagação simplificado e sem planícies, as estimativas das cargas anuais aumentaram em 12%. • Os rios Amazonas (3.89×108 t/ano), Magdalena (7.57×107 t/ano) e La Plata (5.07×107 t/ano) foram aqueles que apresentaram as maiores produções de sedimentos em suspensão. • As planícies de inundação exercem um papel importante retendo cerca de 9.4% (1.11×108 t/ano) dos sedimentos em suspensão que chegam aos rios. Cerca de 53% do total depositado ocorrem nas grandes áreas alagadas, com as planícies do delta do rio Magdalena river delta (2×107 t/ano), da Amazônia central (1×107 t/ano) e as planícies interfluviais do Peru (1×107 t/ano) representando as três regiões com maiores taxas de deposição. • O aumento da Q nem sempre resulta em aumento da SSC/QSS. Especialmente em rios com grandes planícies de inundação, os picos da Q e da SSC/QSS podem acontecer com até meses de diferença.  XIV Encontro Nacional de Engenharia de Sedimentos 8 É importante ressaltar que todos os resultados foram obtidos sem a consideração da existência dos reservatórios nos rios da América do Sul. Além disso os resultados possuem as limitações relacionadas com as simplificações e incertezas do modelo (apresentadas na Parte 1), e não devem ser tratados como valores absolutos finais para os rios analisados. Trabalhos futuros e melhorias contínuas nesta linha de pesquisa visarão diminuir estes erros e incertezas. AGRADECIMENTOS O primeiro e segundo autor agradecem ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico pelas bolsas concedidas a eles (processos nº 167867/2018-0 e 305636/2019-7). 5 - REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Amsler, M. L., & Drago, E. C. (2009). A review of the suspended sediment budget at the confluence of the Paran´a and Paraguay Rivers. Hydrological Processes: An International Journal, 23(22), 3230–3235. https://doi.org/10.1002/hyp Borrelli, P., Robinson, D. 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Impact of Humans on the Flux of Terrestrial Sediment to the Global Coastal Ocean. Science, 308(5720), 376–380. Syvitski, James P.M., Cohen, S., Kettner, A. J., & Brakenridge, G. R. (2014). How important and different are tropical rivers? - An overview. Geomorphology, 227, 5–17. https://doi.org/10.1016/j.geomorph.2014.02.029 Villar, J. C. E., Ronchail, J., Guyot, J. L., Cochonneau, G., Filizola, N., Lavado, W., et al. (2008). Spatio-temporal rainfall variability in the Amazon basin countries (Brazil, Peru, Bolivia, Colombia, and and Ecuador). International Journal of Climatology, 2009, 1574–1594. https://doi.org/10.1002/joc  

Fluxos de sedimentos em suspensão simulados na América do Sul, parte 2: análise espaço-temporal

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