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AVALIAÇÃO DO PROCESSO DE DRAGAGEM POR INJEÇÃO DE ÁGUA EM ESTUÁRIOS Carlos Roberto Lips Soares DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DA COORDENAÇÃO DOS PROGRAMAS DE PÓS-GRADUAÇÃO DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE EM CIÊNCIAS EM ENGENHARIA OCEÂNICA. Aprovada por: _____________________________________________ Profª. Susana Beatriz Vinzon, D.Sc. _____________________________________________ Prof. Afonso de Moraes Paiva, Ph.D. _____________________________________________ Prof. Gilberto Olympio Mota Fialho, D.Sc. _____________________________________________ Prof. José Carlos César Amorim, D.Ing. RIO DE JANEIRO, RJ – BRASIL MARÇO DE 2006 ii SOARES, CARLOS ROBERTO LIPS Avaliação do Processo de Dragagem por Injeção de Água em Estuários [Rio de Janeiro] 2006 XXI, 126 p. 29,7 cm (COPPE/UFRJ, M.Sc., Engenharia Oceânica, 2006) Dissertação – Universidade Federal do Rio de Janeiro, COPPE 1. Dragagem por Injeção de Água – WID 2. Processos de Dragagem 3. Dragagem em Leitos Contaminados 4. Detalhamento dos Equipamentos – WID 5. Comparação dos Métodos de Dragagem 6. Análise dos Processos Hidrodinâmicos 7. Discussão da Dragagem no Porto de Itajaí I. COPPE/UFRJ II. Título ( série) iii DEDICATÓRIA A minha esposa Rosangela pelo companheirismo e grande incentivo nos momentos mais difíceis que passei durante esta jornada. As minhas filhas Andrea e Aline tão importantes para o equilíbrio da minha vida. Aos meus pais e irmã pela ajuda e compreensão devido a minha ausência durante o período que se desenvolveu este estudo. iv AGRADECIMENTOS A Professora Susana Beatriz Vinzon pela sua orientação, paciência e dedicação que propiciaram a conclusão deste trabalho. Aos Professores Afonso Paes e Gilberto Fialho por aceitarem em compor a Banca examinadora deste trabalho. Ao Professor do IME, José Carlos César Amorim por aceitar o convite para compor a Banca examinadora deste trabalho, como convidado externo. Ao corpo docente do Programa de Engenharia Oceânica, por sua capacidade intelectual e empenho para manter o elevado nível de seus ensinamentos. Aos funcionários do PEnO e da Engenharia Costeira, em especial as Secretárias Gleice e Marise e os funcionários lotados no sistema de processamento de dados, pelos seus grandes préstimos e constante paciência para ajudar os discentes. Ao corpo discente das turmas de 2003 e 2004 do Programa de Engenharia Oceânica da Engenharia Costeira que sempre me auxiliaram e compartilharam os melhores momentos dos nossos, respectivos, anos letivos. Ao INPH da CDRJ pela gentileza em ceder alguns relatórios que ajudaram no desenvolvimento deste trabalho. Ao DIDEHU da CDRJ que sempre colocou a disposição o seu arquivo técnico para as consultas necessárias. Aos meus familiares por afinidade e consangüíneos pelo constante apoio emocional durante o período deste curso. À Universidade do Vale do Itajaí através do Professor Schettini, Rodrigo e Carla por suas excelentes condutas profissionais para dar o apoio técnico necessário durante a campanha de medições na dragagem do Porto de Itajaí. v Aos Engenheiros Rodrigo e Raphael, da turma de M.Sc. de 2004, que muito me ensinaram e auxiliaram nas medições da campanha de campo realizada durante a dragagem do Porto de Itajaí. Ao Diretor Superintendente da Ballast Ham no Brasil, Engº Eduardo Figueiredo por sua cordialidade em disponibilizar toda ajuda necessária para o acompanhamento da operação de dragagem no Porto de Itajaí. À Diretoria da CDRJ por permitir o meu afastamento do trabalho, nos momentos necessários, para concluir este curso. Aos colegas de trabalho da CDRJ, principalmente: Adão, Amaral, Lia Mara, Machado, Maiolino e Romeu que estiveram sempre me motivando e ajudando em todas as ocasiões, principalmente, durante o período transcorrido neste curso. vi Resumo da Dissertação apresentada à COPPE/UFRJ como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Mestre em Ciências (M.Sc.) AVALIAÇÃO DO PROCESSO DE DRAGAGEM POR INJEÇÃO DE ÁGUA EM ESTUÁRIOS Carlos Roberto Lips Soares Março/2006 Orientadora: Professora Susana Beatriz Vinzon (D.Sc.) Programa: Engenharia Oceânica Dentro da dragagem hidrodinâmica foi desenvolvido um novo processo aplicado à dragagem de manutenção denominado de dragagem por injeção de água, conhecido pela sigla WID. Neste método o deslocamento do material dragado, até a sua disposição final, depende das correntes naturais e artificiais induzidas na coluna de água do fluido, sendo a geração de correntes de densidade uma das importantes características desta metodologia. Este trabalho descreve os principais tipos de dragagem mais empregados na atualidade e os equipamentos utilizados no processo de dragagem por injeção de água, incluindo sua interferência em relação à biota local e a presença de contaminantes no leito. Os forçantes hidrodinâmicos que interferem com o processo WID são citados e a pluma de sedimentos induzida junto ao fundo é avaliada através do número de Froude densimétrico. Com a finalidade de observar as características da hidrodinâmica num ambiente onde está se utilizando esta metodologia foi realizada uma campanha de medições, durante uma operação de dragagem no Porto de Itajaí, no estuário do Rio Itajaí-Açú, sendo registrados os perfis de velocidade, salinidade e turbidez, em um ciclo de maré. Foram identificados os principais aspectos positivos e negativos inerentes a esta nova tecnologia, além da comparação operacional entre os métodos de dragagem convencionais e o processo de Dragagem por Injeção de Água. vii Abstract of Dissertation presented to COPPE/UFRJ as a partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Science (M.Sc.) AVALIATION OF THE PROCESS OF WATER INJECTION DREDGIND IN ESTUARIES Carlos Roberto Lips Soares March/2006 Advisor: Professor Susana Beatriz Vinzon (D.Sc.) Department: Ocean Engineering Among hydrodynamic dredging processes, a new method is being applied for maintenance dredging, called water injection dredging, WID. In this method the dredging material is moved, until final deposit, by artificial and natural currents in the fluid water’s column and being the generation of the density currents an important characteristic to this methodology. This work describes the method and the equipments required for the water injection dredging process, as well as the principal types of dredging currently used at this moment. A brief analysis of the water injection dredging is presented, including its interference with the local biotic and contaminated materials in the bed. The estuarine hydrodynamic, which may interfere with the WID process, is described, and considerations about the formation of a turbidity current and its relation with the densimetric Froude number is assessed. To address the main hydrodynamic characteristics of a case study, a field campaign was accomplished, which covered a tidal cycle, with a short period during a dredging operation in Itajaí Harbor, in the estuary of Itajaí-Açú River. Velocity, salinity and turbidity profiles were measured, during a tidal cycle. The mainly negative and positive aspects concerning to this new technology are addressed in this work, including a comparison between conventionaldredging methods and the process of Water Injection Dredging. viii ÍNDICE DO TEXTO I – INTRODUÇÃO...........................................................................................................1 I.1 – OBJETIVOS.....................................................................................................2 I.2 – ESTRUTURA DO TEXTO................................................................................3 II – CARACTERIZAÇÃO DOS MÉTODOS DE DRAGAGEM........................................4 II.1 – HISTÓRICO E EVOLUÇÃO DA DRAGAGEM................................................4 II.2 – TIPOS DE OPERAÇÃO DE DRAGAGEM......................................................5 II.2.1 – Dragagem de Aprofundamento ou Inicial............................................5 II.2.2 – Dragagem de Manutenção..................................................................6 II.2.3 – Dragagem de Mineração.....................................................................6 II.2.4 – Dragagem Ambiental ou Ecológica................ ...................................7 II.2.5 – Dragagens Especiais...........................................................................7 II.2.6 – Dragagens Naturais ou Erosão...........................................................8 II.2.7 – Dragagens para Aterros Hidráulicos....................................................8 II.3 – CASSIFICAÇÃO DOS PROCESSOS DE DRAGAGEM.................................9 II.3.1 – Processos Mecânicos de Dragagem.................................................10 II.3.2 – Processos Hidráulicos de Dragagem................................................12 II.3.3 – Processos Mistos de Dragagem........................................................14 II.3.4 – Processos Pneumáticos de Dragagem.............................................15 II.3.5 – Processos Hidrodinâmicos de Dragagem.........................................16 II.3.5.1 – Metodologia do Processo Hidrodinâmico...........................17 II.3.5.2 – Tipos de Dragagens Hidrodinâmicas..................................18 A – Dragagem por Agitação................................................19 B – Dragagem por Erosão...................................................19 C – Dragagem por Elevação...............................................20 D – Dragagem por Injeção – “WID”.....................................21 II.4 – DRAGAGEM NO PORTO DE ITAJAÍ............................................................23 II.4.1 – Especificações do Porto de Itajaí......................................................23 II.4.1.1 – Histórico..............................................................................23 II.4.1.2 – Localização do Porto..........................................................24 II.4.1.3 – Acessos às Instalações Portuárias.....................................26 II.4.1.4 – Principais Características Portuárias..................................28 ix II.4.2 – Detalhes da Dragagem no Porto de Itajaí........................................31 II.4.2.1 – Tipos de Materiais encontrados no Leito...........................31 II.4.2.2 – Processos de Dragagem utilizados pelo Porto..................31 II.4.2.3 – Licitações de Dragagem para o Ano de 2005....................35 III – DRAGAGEM POR INJEÇÃO DE ÁGUA – WID....................................................36 III.1 – ANÁLISE DO PROCESSO DE DRAGAGEM...............................................36 III.1.1 – Histórico da Dragagem por Injeção de Água...................................36 III.1.2 – Operação da Dragagem por Injeção de Água.................................37 III.2 – MONITORAMENTO.....................................................................................39 III.3 – INTERFERÊNCIA DA DRAGAGEM NA BIOTA LOCAL..............................40 III.4 – DRAGAGEM EM LEITOS COM MATERIAIS CONTAMINADOS................42 III.5 – EQUIPAMENTOS DE DRAGAGEM – WID..................................................50 III.5.1 – Configuração e Seleção dos Equipamentos....................................50 III.5.2 – Detalhamento dos Equipamentos....................................................53 III.5.3 – Relação das Principais Dragas de Injeção de Água.......................56 III.5.4 – Versatilidade Operacional dos Equipamentos.................................57 III.6 – DADOS OPERACIONAIS DE DRAGAGEM................................................58 III.7 – PARÂMETROS OPERACIONAIS DE DRAGAGEM....................................59 III.8 – DIAGRAMA EM BLOCOS DO MÉTODO POR INJEÇÃO DE ÁGUA..........60 IV – ANÁLISE COMPARATIVA DOS PRINCIPAIS MÉTODOS DE DRAGAGEM......63 IV.1 – DRAGAS DE ALCATRUZES.......................................................................63 IV.2 – DRAGAS AUTOTRANSPORTADORAS......................................................67 IV.3 – DRAGAS DE SUCÇÃO E RECALQUE.......................................................69 IV.4 – DRAGAS DE INJEÇÃO DE ÁGUA – WID...................................................71 IV.5 – TABELA COMPARATIVA DOS MÉTODOS................................................72 V – ANÁLISE DO PROCESSO HIDRODINÂMICO NA METODOLOGIA WID...........74 V.1 – CORRENTE DE DENSIDADE......................................................................74 V.2 – CORRENTES NATURAIS............................................................................81 V.3 – HIDRODINÂMICA NO ESTUÁRIO DO RIO ITJAÍ-AÇÚ..............................83 V.4 – ESTUDO DE CASO – DRAGAGEM NO PORTO DE ITAJAÍ......................85 V.4.1 – Campanha de Medições..................................................................85 V.4.1.1 – Metodologia de Coleta.....................................................85 x V.4.1.2 – Metodologia de Análise....................................................87 V.4.2 – Instrumentação.................................................................................87 V.4.3 – Análise dos Dados...........................................................................89 V.5 – REGISTROS DE DADOS DA HIDRODINÂMICA LOCAL...........................90 V.5.1 – Registros de Dados das Marés Astronômicas.................................90 V.5.2 – Determinação dos Valores Médios..................................................91 V.5.3 – Velocidades Projetadas no Eixo do Canal.......................................93 V.5.4 – Representação Gráfica dos Principais Parâmetros.........................94 V.5.5 – Análise das Amostras.....................................................................102 V.5.6 – Concentração dos Sedimentos na Coluna de Água......................102 VI – DISCUSSÃO DAS CONDIÇÕES DE DRAGAGEM NO PORTO DE ITAJAÍ.....106 VI.1 – INTRODUÇÃO..........................................................................................106 VI.2 – TRAJETÓRIA DOS SEDIMENTOS RESSUSPENSOS...........................106 VI.3 – INTERFERÊNCIAS NA OPERAÇÃO DE DRAGAGEM...........................107 VI.4 – PERIODICIDADEDAS BATIMETRIAS....................................................108 VI.5 – DISCUSSÃO DOS RESULTADOS OBTIDOS..........................................108 VII – CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES.............................................................110 VII.1 – CONCLUSÕES........................................................................................110 VII.2 – RECOMENDAÇÕES................................................................................113 REFERÊNCIAS...........................................................................................................115 xi ÍNDICE DE FIGURAS Figura II.1 – Ilustração de uma draga dotada com o sistema “SPLIT” que caracteriza a abertura longitudinal da cisterna para despejo do material dragado. Fonte: Bandeirantes........................................................................................................8 Figura II.2 – Ilustração de uma draga hidráulica recalcando sedimentos para restauração de uma área costeira. Fonte: Bandeirantes Dragagem...................9 Figura II.3 – Ilustração do esquema operacional de uma draga de alcatruzes mostrando o conjunto de caçambas que atuam continuadamente na remoção do material de fundo. Fonte: Sítio eletrônico www.ihc.holland.com..................10 Figura II.4 – Ilustração do esquema operacional de uma draga retroescavadeira mostrando o carregamento de uma barcaça e seu sistema de posicionamento no fundo, através de dois charutos de fixação do flutuante. Fonte: Góes Filho, 2004...................................................................................................................11 Figura II.5 – Ilustração do esquema operacional de uma draga de caçamba (Clam- Shell) mostrando o guindaste responsável pela movimentação da caçamba e os cabos presos ao flutuante que possibilitam o ciclo de corte de dragagem. Fonte: Góes Filho, 2004....................................................................................11 Figura II.6 – Ilustração do esquema operacional de uma draga autotransportadora mostrando a atuação das duas bocas e dois tubos de sucção durante a dragagem, dispostos em cada lado da embarcação. Fonte: Sítio eletrônico www.lhcholland.com..........................................................................................12 Figura II.7 – Ilustração do esquema operacional de uma draga de sucção e recalque atuando com um desagregador na ponta da lança de dragagem mostrando as âncoras de arinque que permitem o movimento lateral e, juntamente com os charutos de fixação, propiciam o ciclo de corte de dragagem do equipamento. Fonte: www.ihcholland.com...............................................................................13 Figura II.8 – Ilustração do esquema operacional de uma draga de sucção com roda de caçambas na ponta da lança de dragagem, mostrando as âncoras de arinque que, juntamente com os charutos, são responsáveis pelo ciclo de corte de dragagem. Fonte: www.ihcholland.com.............................................................14 Figura II.9 – Ilustração do esquema operacional de uma draga pneumática mostrando a linha de recalque e o equipamento de sucção pneumático em contato com o leito. Fonte: Sítio eletrônico www.pneuma.it......................................................15 xii Figura II.10 – Ilustração de um dos processos de dragagem hidrodinâmica mostrando a atuação de uma estrutura sólida no leito aquático gerando uma pluma de sedimentos que é carreada para além do sítio de dragagem pela atuação de forçantes hidrodinâmicos presentes no fluido. Fonte: Martins (1974)...............16 Figura II.11 – Ilustração dos quatro principais processos de dragagem hidrodinâmica – Injeção, Agitação, Erosão e Elevação. Relatório SEBA 99/12/info.1-E.............19 Figura II.12 – Ilustração de uma draga autotransportadora apresentando o lançamento de sedimentos na superfície do fluido através do vertedor (overflow). Fonte: Sítio www.vanoord.com.....................................................................................21 Figura II.13 – Ilustração do processo de dragagem por injeção de água, mostrando os parâmetros necessários para induzir a formação da corrente de densidade. Fonte: ThamesWeb – Maintenance Dredging...................................................22 Figura II.14 – Ilustração da localização do Porto de Itajaí no litoral de Santa Catarina.............................................................................................................24 Figura II.15 – Ilustração do início do canal interno de acesso ao Porto de Itajaí mostrando a entrada da barra. Fonte: Sítio www.portodeitajai.com.br..............26 Figura II.16 – Ilustração do Porto de Itajaí e seu canal de acesso até a sua foz. Fonte: Sítio eletrônico www.portodeitajai.com.br..........................................................27 Figura II.17 – Ilustração do Porto de Itajaí, ressaltando os meandros do Rio Itajaí-Açú. Fonte: Sítio eletrônico www.portodeitajai.com.br...............................................27 Figura II.18 – Ilustração dos berços de atracação do Porto de Itajaí mostrando parte da bacia de evolução. Fonte: Sítio www.portodeitajai.com.br................................28 Figura II.19 – Ilustração da geografia do Porto de Itajaí, em laranja a área destinada à expansão do Terminal de Contêineres – TECONVI. Fonte: Sítio eletrônico do Porto de Itajaí www.portodeitajai.com.br...........................................................29 Figura II.20 – Ilustração do posicionamento dos berços de atracação e das instalações atuais do Porto de Itajaí. Fonte: Sítio www.portodeitajai.com.br.......................30 Figura II.21 – Ilustração das expansões futuras do Porto de Itajaí, previstas para ampliação dos berços de atracação e das retroáreas. Fonte: Sítio eletrônico www.portodeitajai.com.br...................................................................................30 Figura II.22 – Ilustração de parte da Carta Náutica 1801 mostrando as áreas de dragagem do Porto de Itajaí – berços, bacia de evolução, canal interno e canal externo. Fonte: Sítio eletrônico do Porto de Itajaí www.portoitajai.com.br........33 Figura III.1 – Ilustração da demonstração do processo de dragagem por injeção de água Fonte: Sítio eletrônico www.portodeitajai.com.br......................................38 xiii Figura III.2 – Ilustração da formação da corrente de densidade através do processo de dragagem por injeção de água. Fonte: Winterwerp et al...................................38 Figura III.3 – Ilustração da “Área Confinada na Superfície” para materiais contaminados, sem capeamento. Fonte: Sítio www.portofrotterdam.com........45 Figura III.4 – Ilustração da “Área Confinada Subaquática” para materiais contaminados, com capeamento.......................................................................46 Figura III.5 – Ilustração do arranjo geral de uma draga de injeção de água, de pequeno porte, com propulsão própria. Fonte: Sítio eletrônico www.musing.nl...............52 Figura III.6 – Ilustração e detalhamento de uma draga de injeção de água propelida............................................................................................................53 Figura III.7 – Ilustração de uma draga de injeção de água não propelida e de pequeno porte. Fonte: Sítio eletrônico www.vanoord.com...............................................54 Figura III.8 – Ilustração e arranjo geral da draga de injeção de água propelida, de grande porte. Fonte: Sítio eletrônico www.vanoord.com...................................55 Figura III.9 – Ilustração do quadro contendo as principais características da draga ANTAREJA. Fonte: Sítio eletrônico www.vanoord.com.br................................56 Figura III.10 – Ilustraçãomostrando o diagrama em blocos cujo detalhamento considera as características básicas da operação de dragagem por injeção de água – WID........................................................................................................62 Figura V.1 – Ilustração do diagrama esquemático mostrando a formação da corrente de densidade em um ambiente aquático, através da diferença de densidade entre a pluma de sedimentos localizada no fundo e o fluido ambiente. Fonte: Garcia, 1993......................................................................................................76 Figura V.2 – Ilustração de uma simulação da propagação da corrente de densidade junto ao leito do corpo aquático. (T. Maxworthy, J. Leilich, J.E. Simpson e E.H. Meiburg).............................................................................................................77 Figura V.3 – Ilustração da Corrente de Gravidade – U1, menos densa, interagindo com a Corrente de Gravidade – U2, mais densa.......................................................78 Figura V.4 – Ilustração parcial da Carta Náutica 1801 – visão do Porto de Itajaí, do Estuário do Rio Itajaí-Açú e do registro das coordenadas de campanha onde foram coletados os dados de campo, onde foram coletados os dados de campo................................................................................................................86 Figura V.5 – Ilustração mostrando o “ângulo de projeção das velocidades resultantes” em relação ao eixo principal do canal do Porto de Itajaí...................................93 http://www.musing.nl...............................5/ xiv Figura V.6 – Ilustração mostrando o monitoramento utilizado na campanha de medições no canal de acesso ao Porto de Itajaí.............................................104 xv ÍNDICE DE GRÁFICOS Gráfico V.1 – Representação das velocidades u’, v’ e w’ projetadas longitudinalmente e transversalmente ao eixo do canal – Maré vazando às 07:30h.........................96 Gráfico V.2 – Representação das velocidades u’, v’ e w’ projetadas longitudinalmente e transversalmente ao eixo do canal – Maré enchendo às 09:40h......................97 Gráfico V.3 – Representação das velocidades u’, v’ e w’ projetadas longitudinalmente e transversalmente ao eixo do canal – Maré enchendo às 10:10h......................97 Gráfico V.4 – Representação das velocidades u’, v’ e w’ projetadas longitudinalmente e transversalmente ao eixo do canal – Maré enchendo às 10:40h......................97 Gráfico V.5 – Representação das velocidades u’, v’ e w’ projetadas longitudinalmente e longitudinalmente ao eixo do canal – Maré enchendo às 11:10h......................98 Gráfico V.6 – Representação das velocidades u’, v’ e w’ projetadas longitudinalmente e transversalmente ao eixo do canal – Maré enchendo às 12:40h......................98 Gráfico V.7 – Representação das velocidades u’, v’ e w’ projetadas longitudinalmente e transversalmente ao eixo do canal – Maré enchendo às 13:00h......................98 Gráfico V.8 – Representação das velocidades u’, v’ e w’ projetadas longitudinalmente e transversalmente ao eixo do canal – Maré enchendo às 13:40h......................99 Gráfico V.9 – Representação das velocidades u’, v’ e w’ projetadas longitudinalmente e transversalmente ao eixo do canal – Preamar às 14:10h..................................99 Gráfico V.10 – Representação das velocidades u’, v’ e w’ projetadas longitudinalmente e transversalmente ao eixo do canal – Maré vazando às 15:00h......................99 Gráfico V.11 – Representação das velocidades u’, v’ e w’ projetadas longitudinalmente e transversalmente ao eixo do canal – Maré vazando às 15:40h....................100 Gráfico V.12 – Representação das velocidades u’, v’ e w’ projetadas longitudinalmente e transversalmente ao eixo do canal – Maré vazando às 16:50h....................100 Gráfico V.13 – Representação das velocidades u’, v’ e w’ projetadas longitudinalmente e transversalmente ao eixo do canal – Maré vazando às 17:35h....................100 Gráfico V.14 – Representação das velocidades u’, v’ e w’ projetadas longitudinalmente e transversalmente ao eixo do canal – Maré vazando às 17:56h(1)...............101 Gráfico V.15 – Representação das velocidades u’, v’ e w’ projetadas longitudinalmente e transversalmente ao eixo do canal – Maré vazando às 17:56h(2)...............101 Gráfico V.16 – Representação das velocidades u’, v’ e w’ projetadas longitudinalmente e transversalmente ao eixo do canal – Maré vazando às 17:56h(3)...............101 xvi ÍNDICE DE TABELAS Tabela II.1 – Relação dos processos de dragagem já utilizados no Porto de Itajaí......31 Tabela II.2 – Demonstração da situação do edital para Dragagem no Porto de Itajaí. Fonte: Sítio www.transportes.gov.br..................................................................35 Tabela III.1 – Sumário das atividades iniciais de monitoramento para o processo de dragagem por injeção de água. Fonte: Dredging Research – Technical Note – 3 – 10, 1993..........................................................................................................40 Tabela III.2 – Relação dos equipamentos de dragagem por injeção de água da empresa holandesa Van Oord, em operação em vários países. Fonte: Sítio www.vanoord.com.............................................................................................56 Tabela III.3 – Registros dos principais parâmetros obtidos durante a operação de dragagem por injeção de água no Rio Mississipi – EUA. Fontes: Dredging’ 94, 1994 e Sítio eletrônico www.vanoord.com.........................................................58 Tabela IV.1 – Comparação das taxas de produção dos processos de dragagem convencionais, representados pelas dragas de alcatruzes e autotransportadoras, com os processos hidrodinâmicos, representados pela draga por injeção de água.................................................................................73 Tabela V.1 – Valores dos números adimensionais: Froude densimétrico, Richardson e Reynolds, calculados para a corrente de densidade, a partir do conceito de similaridade de escoamentos naturais simulados em laboratórios e com os dados obtidos em campanhas de medição do processo WID...........................80 Tabela V.2 – Registro da Tábua de Marés do dia 9 de março de 2005, no Porto de Itajaí. Fonte: Tábua de Marés da Diretoria de Hidrografia e Navegação – DHN da MB.................................................................................................................90 Tabela V.3 – Relaciona os nomes dos arquivos com os respectivos horários das incursões, para coleta de dados da Campanha de Medições, incluindo as condições da maré astronômica no Porto de Itajaí e a situação operacional dos equipamentos de dragagem..............................................................................92 Tabela V.4 – Indicação da direção convencionada das velocidades médias em relação à coluna de água...............................................................................................95 Tabela V.5 – Registros dos resultados obtidos das amostras recolhidas da coluna de água durante a campanha de medições no canal de acesso ao Porto de Itajaí, no dia 9 de março de 2005..............................................................................105 http://www.vanoord.com.........................................................58/ xvii LISTAGEM DE ABREVIATURAS A = Amostra a.C. = Período da história antes do nascimento de Cristo ADV = Acoustic Doppler Vector – Medidor de Correntes AL = Draga de Alcatruzes ALUMAR = Alumínio do Maranhão AMFRI = Associação dos Municípios da Foz do Rio Itajaí-Açú ATM = Draga Autotransportadora de Médioporte B1 = Berço de atracação nº 1 B2 = Berço de atracação nº 2 B3 = Berço de atracação nº 3 B4 = Berço de atracação nº 4 BVQI/in Metro = Bureau Veritas Quality International / Nacional BVQI/RVA = Bureau Veritas Quality International / Internacional C = Concentração de sedimentos no fluido CEDA = Central Dredging Association CODESP = Companhia Docas do Estado de São Paulo COPPE = Instituto Luiz Alberto Coimbra de Pós-graduação e Pesquisa de Engenharia COSIPA = Companhia Siderúrgica Paulista CTD = Condutividade – Condutivímetro CVRD = Companhia Vale do Rio Doce CS = Clam-Shell – Draga de Caçamba d.C. = Período da história depois do nascimento de Cristo DELFT = Universidade Holandesa especializada em Hidrodinâmica DHN = Diretoria de Hidrografia e Navegação DNIT = Departamento Nacional de Infraestrutura de Transportes DRP = Dredging Research Program E = Ponto Cardeal Leste EADI = Estação Aduaneira de Itajaí ebb-WID = Dragagem por Injeção de Água no período da maré vazando EIA = Estudo de Impacto Ambiental EPA = Enviromental Protection Agency F+A = Filtro + Amostra FOSFERTIL = Fertilizantes Fosfatados S/A xviii GPS = Global Position System HOM = Horas de Operação no Mês HPA = Hidrocarbonetos Policíclicos Aromáticos IBAMA = Inst. Brasileiro do Meio Ambiente e dos Recursos Naturais Renováveis INPH = Instituto Nacional de Pesquisas Hidroviárias – atual IPH/CDRJ ISSO = International Standard Organization LD = Linha d‘água LDSC = Laboratório de Dinâmica de Sedimentos Coesivos LISST = Laser In-Situ Scattering and Transmissometry MB = Marinha do Brasil N = Ponto Cardeal Norte NNE = Ponto Cardeal Norte-Nordeste N.Seq. = Número da seqüência OBS = Sensor de Medição da Turbidez OSPAR = Operational and Strategic Planning and Research P+A = Prato + Amostra PAH = Poly Aromatic Hydrocarbons PC = Personal Computer PEnO = Programa de Engenharia Oceânica PORTOBRAS = Empresa de Portos do Brasil Pot. = Potência Rel = Relação RIMA = Relatório de Impacto do Meio Ambiente RO-RO = Navios que possui acesso por rampas laterais ou de popa S = Ponto Cardeal Sul SEBA = Sea-Based Activities SR = Draga de Sucção e Recalque SSW = Ponto Cardeal Sul-Sudoeste T = Turbidez TECONVI = Terminal de Contêineres do Vale de Itajaí TMP = Taxa Média de Produção UFRJ = Universidade Federal do Rio de Janeiro USEPA = U.S. Environmental Protection Agency WID = Water Injection Dredging – Dragagem por Injeção de Água xix LISTAGEM DE SÍMBOLOS g = Grama h = Hora m = Metro linear r = Radianos t = tonelada u = Velocidade no eixo dos x v = Velocidade no eixo dos y w = Velocidade no eixo dos z C = Concentração de sedimentos T = Turbidez V = Volts gf = Força gravitacional gf(x) = Força gravitacional projetada no eixo dos x gf(y) = Força gravitacional projetada no eixo dos y hb = Altura da camada fluidificada hp = Profundidade h(x) = Altura da pluma de sedimentos u’ = Velocidade u projetada no eixo do canal v’ = Velocidade v projetada na coordenada y referente ao eixo do canal w’ = Velocidade w Cb = Capacidade de carga do batelão Cc = Capacidade da caçamba Cd = Ciclo de dragagem Ce = Coeficiente de enchimento Cec = Coeficiente de enchimento da caçamba Cel = Condutividade elétrica em μ.Siemens.cm-1 Co = Ciclo operacional Cop = Coeficiente operacional D50 = Diâmetro médio das partículas de uma amostra Es = Empolamento sugerido Hop = Horas operacionais Ht = Horas totais – Regime de trabalho (24h/dia x 26 dias) H(x) = Altura da coluna de água xx Lcd = Distância percorrida pela corrente de densidade Nc = Número de ciclos mensais Pd = Produção de dragagem Rr = Rotação do rosário Sa = Salinidade em ppt – ‰ St = Declividade do talude do leito do corpo hídrico Ta = Tempo de atracação Tc = Tempo de carga do batelão Td = Tempo de desatracação Tp = Taxa média de produção Vb = Volume da cisterna do batelão Vc = Volume da cisterna “in situ” Ve = Velocidade média de avanço da corrente de densidade Vm = Volume mensal “in situ” Vt = Volume total da cisterna Ws = Velocidade de queda Fr = Número de Froude Re = Número de Reynolds Ri = Número de Richardson Vu = Velocidade média na direção norte-sul Vv = Velocidade média na direção leste-oeste Vw = Velocidade média na direção da linha de profundidade Vu’ = Velocidade média projetada no eixo do canal Vv’ = Velocidade média projetada perpendicular ao eixo do canal Vw’ = Velocidade média projetada na linha da profundidade Vu’v’ = Velocidade resultante das velocidades projetadas u’ e v’ m2 = Metro quadrado m3 = Metro cúbico kW = Quilowatt km = Quilômetro ml = Mililitro mm = Milímetro linear Hz = Hertz kVA = Quilovolt-amper mHz = Mega-hertz xxi min = Minuto rpm = Rotações por minuto ton = Tonelada ppt – ‰ = Percentage per thousand g/l = Grama por litro Kg/m3 = Quilograma por metro cúbico kW/m3.h-1 = Quilowatt por metro cúbico por hora m/min = Metro por minuto m/s = Metro por segundo m.s-1 = Metro por segundo m3/h = Metro cúbico por hora m3.s-1 = Metro cúbico por segundo mg/l = Miligrama por litro mg.l-1 = Miligrama por litro Micromhos.cm-1 = Unidade de condutividade Micro.Siemens.cm-1 = Unidade de Condutividade α = Ângulo do talude do leito do corpo hídrico ϕ = Ângulo da velocidade resultante Vu’v’ em relação ao eixo do canal γ = Ângulo de defasagem entre o ponto cardeal leste e o eixo do canal ρ0 = Densidade (peso específico) do fluido ambiente ρ1 = Densidade (peso específico) da corrente de densidade ρs = Densidade (peso específico) do sedimento ρ(s,t) = Densidade (peso específico) em função da salinidade e temperatura ρ(s,t,c) = Densidade (peso específico) em função da salinidade, temperatura e concentração ρ(mistura) = Densidade (peso específico) da mistura μS = Micro-Siemens (unidade de condutividade) μ/l = Mícron por litro ≅ = Aproximadamente ºC = Grau Celsius > = Maior que < = Menor que ≥ = Maior ou igual a ≤ = Menor ou igual a ‰ = Porcentagem por mil 1 I – INTRODUÇÃO O transporte aquaviário é responsável pela movimentação de aproximadamente 90% das cargas mundiais, tornando-se, portanto, o principal meio de locomoção de cargas do planeta. Atualmente, o transporte marítimo internacional utiliza navios cada vez mais especializados, bem como assistidos de modernas técnicas de gerenciamento e comunicação, direcionando as suas atenções para a nova demanda de navios econômicos. A exploração da economia de escala, refletidas no aumento de porte dos navios, é uma característica marcante na evolução da indústria do transporte marítimo e está intimamente ligada à agilização das operações portuárias, assim como a preservação de seus acessos aquaviários. Para atender as exigências de um mercado mundial altamente competitivo, a maioria dos portos teve que aumentar não somente a profundidade como ainda a largura de seus canais de acesso, berços de atracação e bacias de evolução, de maneira a garantir que as diversas embarcações, cada vez maiores em tamanho e calado, economicamente mais rentáveis, possam trafegar por vias aquáticas naturais ou artificiais, penetrar em baias protegidas e aproximarem-se das áreas portuárias para o embarque e desembarque das cargas transportadas. Várias centenas de milhões de metros cúbicos são dragados anualmente, em todo o mundo (GOES FILHO, 2004), grande parte desta quantidade de sedimentos é removida de portos que apresentam constantes assoreamentos1, gerados por ações naturais ou antrópicas, atuantes nas proximidades destes ambientes hídricos.Portanto, tornou-se necessário, à preservação destas profundidades, o emprego constante de dragagens de manutenção, principalmente em portos localizados em estuários que necessitam destes serviços em escala cada vez mais crescente. A evolução dos equipamentos e das técnicas de dragagem vem acompanhando as demandas impostas pela modernidade e pela competitividade. Uma nova metodologia foi desenvolvida, na década de 90, para atender as operações de 1 Materiais depositados em leitos aquáticos provenientes da sedimentação de partículas suspensas na coluna de água, oriundas de ações naturais ou artificiais. 2 dragagens de manutenção, dando origem a um novo tipo de dragagem hidrodinâmica denominada dragagem por injeção de água, conhecida pela sigla WID – Water Injection Dredging, onde a versatilidade dos equipamentos e o baixo custo operacional motivaram a grande expansão operacional deste método. Este trabalho visa apresentar as principais características operacionais desta metodologia. I.1 – Objetivos • Descrever as características básicas da dragagem por injeção de água, assim como os equipamentos necessários. • Comparar esta metodologia de dragagem hidrodinâmica com a dragagem convencional. • Observar as características do escoamento no estuário do Rio Itajaí-Açú e sua possível influência na operação de dragagem. 3 I.2 – Estrutura do Texto A descrição do texto foi dividida em sete capítulos, para possibilitar uma melhor estruturação e compreensão dos principais tópicos do processo em estudo: I – Introdução – Detalhamento das motivações que propiciaram a escolha do tema, assim como os objetivos e propostas do estudo apresentado. II – Caracterização dos Métodos de Dragagem – Envolve o histórico da evolução da dragagem, definição dos tipos de operação de dragagem, além da classificação dos processos de dragagem existentes na atualidade, segundo alguns autores. Por fim, descreve várias especificações do Porto de Itajaí, detalhando as características de dragagem no seu acesso aquaviário. III – Dragagem por Injeção de Água – Este capítulo faz uma breve análise operacional desta metodologia, relaciona os equipamentos e acessórios de dragagem, menciona a interferência da dragagem hidrodinâmica em relação à biota local e transcreve os estudos realizados, na Holanda, sobre a atuação do processo WID em leitos com materiais contaminados. Descreve a importância do monitoramento por instrumentos, além de avaliar a corrente de densidade através dos números adimensionais: Froude densimétrico, Richardson e Reynolds. Finalmente ilustra, por meio de um “Diagrama em Blocos”, a interligação das atividades que envolvem o processo WID. IV – Análise Comparativa dos Métodos de Dragagem – Apresenta uma comparação técnica operacional do processo WID com a Dragagem Convencional. V – Análise do Processo Hidrodinâmico da Metodologia WID – Definição teórica de corrente de densidade e a importância das correntes naturais presentes nessa operação de dragagem. São apresentados os resultados da campanha de medições, através de gráficos e tabelas, realizada no Rio Itajaí-Açú, no Porto de Itajaí em 9 de março de 2005, onde a dragagem por injeção de água está sendo realizada. VI – Discussão das Condições de Dragagem no Porto de Itajaí – Analisa a trajetória dos sedimentos e as interferências na operação de dragagem em Itajaí. VII – Conclusões e Recomendações – Descreve os principais aspectos operacionais do processo WID, assim como a necessidade das campanhas de campo, dando ênfase aos resultados encontrados. Faz algumas recomendações sobre a utilização deste método de dragagem. 4 II – CARACTERIZAÇÃO DOS MÉTODOS DE DRAGAGEM II.1 Histórico e Evolução da Dragagem Limpar ou desobstruir vias navegáveis com dragas é uma definição clássica para dragagem, já GOES FILHO (2004) define a dragagem como um processo de relocação de sedimentos e solos para fins de construção e manutenção de vias aquáticas, de infraestrutura de transporte, de aterros e de recuperação de solos ou de mineração. De fato, a evolução das metodologias de dragagem possibilitou uma ação de maior âmbito tornando-se mais abrangente e, até mesmo, imprescindível no auxílio para remoção de escombros, na recuperação de achados arqueológicos, em obras que necessitem de aterros especiais, na exploração industrial de depósitos naturais de minerais, pedras preciosas e recursos marinhos de valor comercial (Compton’s Encyclopedia, 1998) ou, ainda, em dragagens de recuperação do meio ambiente aquático (Ge Study Report, 1998). Historicamente, existem referências à abertura de canais para navegação desde a mais remota antiguidade, ou seja, aproximadamente 5.000 anos antes de Cristo, entre os Sumérios (MARTINS, 1974). Podemos mencionar ainda importantes serviços hidráulicos, tais como: a abertura do Canal da Babilônia; o traçado entre os Rios Tigre e Eufrates; a navegabilidade no Rio Eufrates determinada por Nabucodonosor – 600a.C (BRAY, 1997; Compton’s Encyclopedia, 1998); uma ligação predecessora do Canal de Suez, entre o Rio Nilo e o Mar Vermelho; a drenagem do Lago Fucino – 43a.C. Porém, o mais longo e antigo canal aquático ainda existente é o Grande Canal da China, com mais de 1600 km de extensão o que levou cerca de 2000 anos para ser construído – suas obras iniciaram no século 7a.C. e terminaram por volta do ano 1280d.C.. Na Europa, os pioneiros na construção de canais foram os italianos, muito embora os franceses prezem pela quantidade e extensão de suas vias aquáticas. Já na Grécia Antiga, eram construídos canais artificiais com fins de irrigação e também para unir corpos de água. Atualmente, os holandeses são os que mais investem em tecnologia de dragagem, principalmente, na construção de canais para drenagem de seu território (TORRES, 2000; Compton’s Encyclopedia, 1998). 5 Em particular, a dragagem hidrodinâmica objeto deste trabalho e que será descrita posteriormente, remonta da Idade Antiga onde, na Índia, já existia indícios do uso deste método para remover os assoreamentos causados ao Rio Indus (MARTINS, 1974). Na época, esta operação de dragagem era efetuada através do arrastamento de troncos de madeira, posicionados verticalmente em embarcações propulsadas a vela ou remos, atuando em contato com o material de fundo do rio, visando ressuspender os sedimentos que, posteriormente, eram deslocados através da hidrodinâmica natural do corpo hídrico, gerando, com isto, o aprofundamento do leito aquático. II.2 – Tipos de Operação de Dragagem As operações de dragagem mais comuns são definidas pelas características básicas e finalidades operacionais que envolvem o processo de dragagem. Seguindo a concepção de alguns livros e periódicos (USEPA, 1994; GE Study Report, 1998; TORRES, 2000; GOES FILHO, 2004) podemos destacar os seguintes tipos de operação de dragagem: II.2.1 – Dragagem de Aprofundamento ou Inicial É determinada pelo aprofundamento virginal2 do leito aquático, onde, normalmente, a coesão entre as partículas é mais intensa. Os equipamentos de dragagem são mais robustos e adaptados a cada tipo de situação operacional. A metodologia e o equipamento adequado são condições prioritárias para se obter bons resultados neste tipo de operação. A diversificação é determinada pelas características do material existente no fundo aquático, podendo ser empregada a derrocagem subaquática como parte deste processo operacional. Geralmente, estas operações são caracterizadas por (GOES FILHO, 2004): • Movimentação de grandes quantidades de material dragado. 2 Aprofundamento em locais onde a dragagem nunca foi efetivada.6 • Remoção de solos compactos. • Dragagem de camadas de solos não alteradas. • Baixa presença de contaminantes. • Camadas para dragagem com espessuras consideráveis. • Atividades de dragagem não repetitivas. II.2.2 – Dragagem de Manutenção É definida como uma operação mais suave3, onde a remoção dos sedimentos é facilitada devido a pouca coesão das partículas depositadas recentemente4 no leito aquático. Esta característica facilita a utilização da maioria dos processos de dragagem existentes na atualidade. Geralmente, consiste em uma técnica operacional sucessora à dragagem de aprofundamento. Possui como principais características (GOES FILHO, 2004): • Quantidade de material a ser dragado variável. • Remoção de solos não compactos. • Possível presença de materiais contaminados. • Ocorrência mais freqüente em canais de navegação e portos. • Atividade, normalmente, repetitiva e rotineira. II.2.3 – Dragagem de Mineração É composta por equipamentos especificamente construídos para extração de minerais com valor econômico como: argilas, areia e cascalho, para utilização em indústrias e na construção civil, podendo ainda ser utilizada em aluviões fluviais para extração de ouro e pedras preciosas. 3 Caracterização atribuída para dragagens em solos aquáticos de fácil remoção. 4 Definição de tempo insuficiente para consolidar uma forte coesão das partículas. 7 II.2.4 – Dragagem Ambiental ou Ecológica Caracteriza-se pela utilização de dragas ecológicas para remoção, tão somente, da camada de materiais contaminados depositados no fundo do corpo hídrico, como também na linha da água quando ocorrem vazamentos acidentais de óleos ou derivados de petróleo no meio aquático. São equipamentos desenhados para trabalharem induzindo pouco efeito de turbidez na coluna de água, normalmente causados pelos processos de dragagem convencionais. Procedimentos rigorosos são exigidos para a dragagem e deposição final do material. A eficiência da dragagem ecológica está restrita a observação dos seguintes fatores (GOES FILHO, 2004): • Minimização da dispersão de sedimentos contaminados para as áreas adjacentes ao sítio de dragagem; • O manejo, tratamento e despejo do rejeito de dragagem devem ser efetuados de modo seguro do ponto de vista ambiental; • A operação deve ser completada no menor tempo possível, resultando na máxima remoção de sedimentos contaminados e na mínima remoção de sedimentos limpos. Na dragagem ambiental a remoção do material contaminado se procede cuidadosamente, sendo constantemente associada a um programa de tratamento, reutilização ou relocação do mesmo. Possui como características mais usuais: • Volumes reduzidos de dragagem. • Presença de materiais contaminados. • Remoção de solos não compactados. • Atividade com tendência não repetitiva. II.2.5 – Dragagens Especiais São constituídas por equipamentos projetados ou adaptados para casos particularizados de dragagem, como por exemplo, dragagens em grandes profundidades, retirada de escombros e outras operações especiais. Dependendo da situação existe a possibilidade da utilização de equipamentos robotizados. 8 II.2.6 – Dragagens Naturais ou Erosão São identificadas pela ação de forçantes hidrodinâmicos naturais presentes no corpo hídrico, muito comuns em regiões estuarinas, onde o incremento da vazão de águas continentais, devido ao período de fortes chuvas, ou alterações na incidência de ventos e de ondas de marés astronômicas ou meteorológicas, tornam viável o deslocamento dos sedimentos de fundo para outros sítios. Podendo, sob certas condições, haver retorno do material removido ao mesmo ponto inicial, como por exemplo, em lagos ou lagoas, cujos efeitos hidrodinâmicos contornam todo o seu perímetro. Neste tipo de dragagem, normalmente, não existe interferências induzidas artificialmente nas ações que caracterizam o processo. II.2.7 – Dragagens para Aterros Hidráulicos São, basicamente, desempenhadas pela atuação de dragas hidráulicas ou mecânicas, podendo ser utilizados batelões especiais tipo split-barge5 no intuito de recalcar ou transportar grãos de areia para reurbanização de áreas costeiras, construção de rodovias e aeroportos ou, ainda, para engordamento6 de praias. Figura II.1 – Ilustração de uma draga dotada com o sistema “SPLIT” que caracteriza a abertura longitudinal da cisterna para despejo do material dragado. Fonte: Bandeirantes. 5 Tipo de embarcação onde a abertura da cisterna é longitudinal em todo seu comprimento. 6 Termo atribuído para definir incremento de areia para acresção ou recomposição de praias. Abertura Longitudinal da Cisterna 9 Figura II.2 – Ilustração de uma draga hidráulica recalcando sedimentos para restauração de uma área costeira. Fonte: Bandeirantes Dragagem. II.3 – Classificação dos Processos de Dragagem A diversificação dos processos de dragagem foi motivada pela necessidade de transpor as dificuldades impostas pela própria natureza. Contudo, a evolução destes métodos continua se desenvolvendo através de estudos e pesquisas em laboratórios ou, até mesmo, em modelagens matemáticas, visando melhorar as técnicas de operação e a eficiência dos equipamentos, no intuito, também, de minimizar os custos operacionais. Segundo alguns autores e periódicos (DAVIS et al., 1990; BRAY et al., 1997; Relatório SEBA, 1999; GOES FILHO, 2004), podemos distinguir, como principais e mais utilizadas técnicas, os seguintes processos de dragagem: Draga Leblon Cisterna 880 m3 Restauração da Praia de Olinda - PE “Clam-Shell” 3 jd3 Jato de água com areia 10 II.3.1 – Processos Mecânicos de Dragagem São caracterizados pela atuação mecanizada dos equipamentos para a remoção dos sedimentos de fundo. Os equipamentos de dragagem mais conhecidos que utilizam este processo são: Draga de Alcatruzes (Bucket line Dredge), Draga de Caçamba (Clam-Shell), Caçamba tipo Mandíbulas (Grab Dredge), Escavadeiras Frontais (Dipper Dredges), Retro-Escavadeiras (Hoes), Pás de Arrasto (Draglines). Devido à simplicidade e semelhança com os equipamentos utilizados em terraplenagem, os equipamentos mecânicos de dragagem foram os primeiros a ser desenvolvidos. Geralmente, o material dragado é lançado em cisternas de batelões que transportam estes sedimentos até a área de deposição final. As dragas mecânicas podem possuir propulsão própria ou não, as não propelidas são conhecidas como dragas estacionárias. A seguir ilustramos alguns destes equipamentos, assim como os principais detalhes que permitem sua operação em meios aquáticos. Figura II.3 – Ilustração do esquema operacional de uma draga de alcatruzes mostrando o conjunto de caçambas que atuam continuadamente na remoção do material de fundo. Fonte: Sítio eletrônico www.ihcholland.com. Espessura de Corte Cabo do Suspensório DRAGA DE ALCATRUZES Lança de Dragagem Guindaste de Proa Flutuante sem Propulsão Tombo Inferior Tombo Superior Guindaste de Popa Charutos de Popa BB e BE Superestrutura Mastro Principal Charutos de Proa BB e BE Caçambas do Rosário Guinchos de Proa Guinchos de Popa Dalas BB/BE 11 Figura II.4 – Ilustração do esquema operacional de uma draga retroescavadeira mostrando o carregamento em uma barcaça e seu sistema de posicionamento no fundo, através de dois charutos de fixação do flutuante. Fonte: Góes Filho, 2004. Figura II.5 – Ilustração do esquema operacional de uma draga de caçamba (Clam-Shell) mostrando o guindaste responsável pela movimentação da caçamba e os cabos presos aoflutuante que possibilitam o ciclo de corte de dragagem. Fonte: Góes Filho, 2004. Charutos de Fixação para Dragagem Flutuante sem propulsão DRAGA RETROESCAVADEIRA Retro Escavadeira Caçamba Flutuante sem Propulsão DRAGA DE CAÇAMBA Cabos de movimentação do Flutuante – proa e popa Caçamba de Dragagem Guindaste de Dragagem Guincho Cabo Guia da Caçamba Cabo de Içamento 12 II.3.2 – Processos Hidráulicos de Dragagem A atuação de bombas hidráulicas para succionar e recalcar os sedimentos, que podem ser fragmentados mecanicamente por desagregadores ou hidraulicamente através de fortes jatos de água, é uma das principais características deste processo. Podemos citar os seguintes tipos de equipamentos: Dragas Autotransportadoras (Hopper Trailing Suction Dredges) e Dragas de Sucção e Recalque (Cutter Suction Dredges), as quais poderão ser propelidas ou não. Durante a remoção do material dragado é formada uma mistura de água com o material sólido do leito, que é bombeado para tubulações flutuantes a distâncias compatíveis com a potência dos equipamentos – no caso de dragas de sucção e recalque – ou em bombeamentos para dentro de cisternas – no caso de dragas autotransportadoras (GÓES FILHO, 2004), que também possuem a alternativa de recalcar os sedimentos em tubulações. Existe ainda a possibilidade de bombear o produto da dragagem para batelões acostados a contrabordo das dragas. As dragas hidráulicas são constituídas de tecnologias mais recentes e, geralmente, possuem maior rendimento operacional que as dragas mecânicas. Figura II.6 – Ilustração do esquema operacional de uma draga autotransportadora mostrando a atuação das duas bocas e dos dois tubos de sucção durante a dragagem, dispostos em cada lado da embarcação. Fonte: Sítio eletrônico www.ihcholland.com. DRAGA AUTOTRANSPORTADORA Bocas de Dragagem BB e BE Tubos de Sucção BB e BE Guindaste de Manutenção Cisterna para armazenamento do material dragado Superestrutura Tubulação de Recalque Para a Cisterna Propulsores Principais BB e BE Propulsor Lateral Bomba Sucção Intermediária BB e BE Tubos de Jato de água BB e BE Leme 13 As dragas de sucção e recalque – cutter suction dredges – são, normalmente, equipamentos sem propulsão que atuam em regiões costeiras, sendo muito utilizadas em aterros hidráulicos para construção de aeroportos ou restauração de praias. Geralmente, são equipadas com um desagregador mecânico instalado na extremidade da lança de dragagem junto ao tubo de sucção, que atua por rotação desagregando o material do leito, o qual é aspirado pela bomba de dragagem. Estas dragas, como as dragas mecânicas, também são conhecidas como estacionárias e a utilização dos charutos, normalmente localizados a ré, juntamente com as lanças e âncoras de arinque, funcionam para dar apoio durante a dragagem, possibilitando o avanço e o giro da draga – swing7 – movimento responsável pelo ciclo de corte de dragagem. Figura II.7 – Ilustração do esquema operacional de uma draga de sucção e recalque atuando com um desagregador na ponta da lança de dragagem mostrando as âncoras de arinque que permitem o movimento lateral e , juntamente com os charutos de fixação, propiciam o ciclo de corte de dragagem do equipamento. Fonte: www.ihcholland.com. 7 Nome do movimento que resulta na largura de corte da draga de sucção e recalque. DRAGA DE SUCÇÃO E RECALQUE Charutos BB e BE para Dragagem Flutuante sem Propulsão Tubo de Recalque Tubo de Sucção Desagregador Lança de Dragagem Âncora de Fundeio Cabine de Dragagem Suspensório Mastro Principal Lanças de Arinque Âncoras de Arinque BB e BE 14 II.3.3 – Processos Mistos de Dragagem São identificados pela ação conjunta e simultânea dos processos mecânicos e processos hidráulicos. Como exemplo desta tecnologia pode-se registrar as dragas de sucção e recalque com roda de caçambas instalada na ponta da lança. Este mecanismo remove o material de fundo mecanicamente lançando-o diretamente na linha de sucção hidráulica da draga. Uma das características deste tipo de equipamento é de poluir menos que as dragas mecânicas e hidráulicas, pois o processo de remoção mecanizado e a posterior sucção do material dragado fluindo pelo tubo de sucção acarretam em menor dispersão dos sedimentos na coluna de água. Apesar de se constituir em uma draga de processo misto, o seu ciclo de dragagem é idêntico ao das dragas hidráulicas de sucção e recalque. Figura II.8 – Ilustração do esquema operacional de uma draga de sucção com roda de caçambas na ponta da lança de dragagem mostrando as âncoras de arinque que, juntamente com os charutos, são responsáveis pelo ciclo de corte de dragagem. Fonte: www.ihcholland.com. DRAGA DE SUCÇÃO COM RODA DE CAÇAMBAS Flutuante sem Propulsão Charutos BB e BE de Dragagem Roda de Caçambas Lança de Dragagem Cabine de Dragagem Tubo de Recalque Tubo de Sucção Suspensório Âncora de Fundeio Mastro Principal Lanças e Âncoras de Arinque BB e BE 15 II.3.4 – Processos Pneumáticos de Dragagem São equipamentos muito utilizados em arqueologia náutica para recuperar pequenos objetos submersos, trata-se de um tubo de sucção utilizando um sistema com pressão de ar comprimido na ponta que induz a aspiração de pequenos sedimentos de fundo, este método é conhecido como Air-lift. Existem dragas ecológicas que utilizam, na sucção, sistemas pneumáticos em seus mecanismos para atenuar a dispersão do material dragado, evitando sua elevação na coluna de água. Atualmente, as dragas pneumáticas são consideradas as que menos poluem durante o processo de dragagem, contudo, o maior problema continua sendo a deposição final dos sedimentos removidos, pois se estima que o custo da disposição de sedimentos em áreas confinadas especiais pode ser de 3 a 6 vezes superior a simples descarga no mar (HINCHEE et al., 2001). Há registros de casos de tratamento de materiais contaminados com custos variando de 10 a 100 vezes superiores aos da utilização sem necessidade de tratamento (HINCHEE et al., 2001). Figura II.9 – Ilustração do esquema operacional de uma draga pneumática mostrando a linha de recalque e o equipamento de sucção pneumático em contato com o leito. Fonte: Sítio eletrônico www.pneuma.it. DRAGA PNEUMÁTICA ECOLÓGICA Flutuante sem Propulsão Sistema Pneumático de Sucção Tubulação Pneumática de Sucção Cabo de aço Translação Compressor Tubo de Recalque Flutuante Cabos de Içamento Cabo da Lança Valv. Distrib. de Ar 16 II.3.5 – Processos Hidrodinâmicos de Dragagem Basicamente, estes processos dependem dos recursos hidrodinâmicos induzidos na coluna de água de forma natural ou artificial a fim deslocar, para outro sítio, os sedimentos de fundo, os quais são suspensos do leito aquático por ação de contato mecânico ou hidráulico. É considerada uma operação de baixo custo, pois o transporte do material dragado não é efetuado pelo equipamento, mas sim pelas condições hidrodinâmicas presentes no corpo hídrico. As dragagens naturais também utilizam os recursos hidrodinâmicos do fluido como meio de transporte dos sedimentos ressuspensos, constituindo-se num processo sem intervenções antrópicas, contudo não são consideradas dragagens hidrodinâmicas pela CEDA – Central Dredging Association – organização internacional que se dedica a todo tipo de atividade que envolva a dragagem (Relatório SEBA, 1999). Neste Relatório, só foram considerados como processos dedragagens hidrodinâmicas aqueles que são realizados com a atuação de equipamentos de dragagem. Figura II.10 – Ilustração de um dos processos de dragagem hidrodinâmica mostrando a atuação de uma estrutura sólida no leito aquático, gerando uma pluma de sedimentos que é carreada para além do sítio de dragagem pela atuação de forçantes hidrodinâmicos presentes no fluido. Fonte: Martins (1974). Estrutura Sólida Embarcação de Tração Sedimentos Dispersados Sentido da Embarcação Fluxo dos Sedimentos DRAGAGEM HIDRODINÂMICA Cabo de Tração Sedimentos Depositados Leito Aquático Linha da água 17 II.3.5.1 – Metodologia do Processo Hidrodinâmico A dragagem hidrodinâmica é definida como sendo a deliberada suspensão ou ressuspensão de uma fração de sedimentos do leito de um sistema aquático, através de intervenções mecânicas ou hidráulicas, com posterior deslocamento desse material, da área de dragagem até o seu depósito final, utilizando processos hidrodinâmicos naturais ou induzidos no fluido (Relatório SEBA, 1999). A distribuição dos sedimentos liberados na coluna de água do corpo hídrico permite o acompanhamento qualitativo e quantitativo desta metodologia. Neste processo, não há transporte, do material removido8, por intermédio de equipamentos de dragagem como batelões ou tubos de recalque, a própria coluna da calha hidráulica é utilizada como meio de transporte dos sedimentos até a área de disposição final, tornando esta operação uma atividade de baixo custo operacional (ATHMER, 1996), podendo ser utilizada em dragagens de manutenção de portos e vias navegáveis localizados, principalmente, em rios ou estuários (WINTERWERP et al., 2001). A quantidade de sedimentos que são transportados9 através da coluna de água é determinada, principalmente, pelas propriedades das partículas, onde: o tamanho, a forma e a massa específica são características fundamentais para estabelecer a velocidade de queda e a densidade da pluma de sedimentos formada durante o processo, possibilitando a manutenção desses sedimentos suspensos no fluido e, consequentemente, um maior carreamento dessas partículas no meio aquático (KNOX et al., 1994). Já à distância percorrida por esses sedimentos ressuspensos depende, ainda, do favorecimento das condições hidrodinâmicas do corpo hídrico para gerar uma corrente capaz de deslocar as partículas suspensas na coluna do fluido (Relatório SEBA, 1999). Portanto, em Dragagens Hidrodinâmicas, sedimentos finos, com baixa coesão, recentemente depositados no fundo e localizados em meios aquáticos que apresentem condições hidrodinâmicas favoráveis10, são características que determinam uma boa eficiência operacional desse processo (NETZBAND, 1998). 8 Material desagregado do fundo através de procedimentos de dragagem hidrodinâmica. 9 Refere-se ao deslocamento dos sedimentos em direção ao depósito planejado. 10 São condições que propiciam o deslocamento da pluma de sedimentos em direção à área de despejo, sem que haja dispersão desfavorável na coluna de água. 18 Essa metodologia pode ser empregada em conjunto com outros processos de dragagem, no intuito de mover o material dragado para um novo sítio onde a operação convencional possa atuar com melhor desempenho (ATHMER, 1996). As técnicas empregadas nessa dragagem são classificadas em, dragagem por agitação e dragagem por injeção de água (Relatório SEBA, 1999). Suas aplicações requerem condições especiais nas características hidrodinâmicas presentes no corpo hídrico, pois enquanto a dragagem por agitação utiliza a faixa intermediária e superior da coluna de água, a dragagem por injeção de água utiliza a região próxima ao leito para deslocar o material fluidificado. Contudo, em ambos os casos, os sedimentos ressuspensos ficam submetidos às correntes naturais ou artificiais do fluido ambiente, podendo interferir no desenvolvimento da pluma de sedimentos que, uma vez mobilizada, possui limitações no controle direcional até a deposição final das partículas (Relatório SEBA, 1999; OSPAR Commission, 2004). Em geral, os locais onde a dragagem hidrodinâmica apresenta bom desempenho deverão possuir as seguintes características (Relatório SEBA, 1999): • Áreas com alta concentração de sedimentos naturais. • Áreas com materiais provenientes de erosão. • Áreas com bom potencial de velocidade de corrente, seja natural ou artificial. • Áreas próximas às grandes depressões aquáticas. • Áreas com baixo nível de materiais contaminados. II.3.5.2 – Tipos de Dragagens Hidrodinâmicas Como descrito anteriormente a dragagem hidrodinâmica pode ser sintetizada em dragagem por agitação ou dragagem por injeção de água, essas técnicas são precursoras de pelo menos quatro processos de dragagem reconhecidos atualmente: Agitação, Erosão, Elevação e Injeção, respectivamente (Relatório SEBA,1999): 19 PROCESSO I II/III IV MÉTODO INJEÇÃO AGITAÇÃO/ EROSÃO ELEVAÇÃO TÉCNICA INJEÇAO DE ÁGUA ARRASTO/JATO FORTE LANÇAMENTO Figura II.11 – Ilustração dos quatro principais processos de dragagem hidrodinâmica – Injeção, Agitação, Erosão e Elevação. Fonte: Relatório SEBA 99/12/info.1-E. A – Dragagem por Agitação O processo de dragagem hidrodinâmica por agitação é realizado pela atuação mecânica de arraste de uma estrutura sólida no leito de um corpo aquático (Figura II.10). Essa atuação causa uma turbidez de grande intensidade na coluna de água, além de propiciar uma grande dispersão das partículas ao longo da calha hidráulica, dificultando o controle no transporte desses sedimentos, cujo percurso, normalmente, interage com a ação hidrodinâmica11 presente, naquele momento, no corpo hídrico (Relatório SEBA, 1999; OSPAR Commission, 2004). B – Dragagem por Erosão É um processo que ocorre quando os sedimentos do leito, com forte coesão, são removidos por um fluxo de água de alta pressão. O material no fundo é 11 Nesse caso, se refere as correntes naturais presentes no corpo hídrico. I II/III IV 20 deslocado e suspenso até uma pequena faixa na coluna de água por meio de fortes jatos de água, sendo transportados, normalmente, para curtas distâncias, dependendo das atividades hidrodinâmicas presentes no corpo aquático (Relatório SEBA, 1999; OSPAR Commission, 2004). Esse método pode ser empregado com um jato único ou, em larga escala, com vários jatos de água, os quais são muito utilizados em bocas de dragagem de dragas autotransportadoras, com a finalidade de desagregar os materiais de fundo para aumentar o rendimento das bombas de dragagem (Relatório SEBA, 1999). C – Dragagem por Elevação A dragagem hidrodinâmica por elevação consiste em um remanejamento12 dos sedimentos do leito do corpo aquático para a superfície da linha de água, onde as correntes naturais do corpo hídrico determinam o transporte dessas partículas. Normalmente, o lançamento do material dragado na superfície é induzido pelos componentes de dragas convencionais. Podemos citar as dragas autotransportadoras e as de sucção e recalque como equipamentos que propiciam este processo de dragagem (Relatório SEBA, 1999). Nas dragas autotransportadoras o lançamento dos sedimentos na superfície é realizado, normalmente, através do vertedor (overflow13) da embarcação que se constitui num importante acessório para aumentar a densidade da mistura concentrada na cisterna14 da draga, a remessa de parte desse fluido, juntamente com certa concentração de sedimentos, para a superfície da coluna de água constitui-se no processo de dragagem hidrodinâmica por elevação (Relatório SEBA, 1999). Nas dragas de sucção e recalque a operação se manifesta quandoa linha de recalque é aberta na superfície da água gerando o lançamento da mistura na 12 Neste caso, consiste no lançamento do material dragado propositadamente para o ambiente externo da draga, devido às características operacionais do próprio processo de dragagem. 13 Mecanismo responsável pela separação da água e os sedimentos dragados, que são lançados na cisterna de dragas autotransportadoras ou batelões lameiros. 14 Porão da draga autotransportadora ou batelão lameiro onde são depositados os materiais dragados para o seu transporte até a área de despejo. 21 linha da água. Ao final do tubo de recalque poderá ser fixada uma ponteira de redução de diâmetro que agiria como um injetor, aumentando a velocidade do fluxo e propiciando um jato com maior alcance, em relação ao ponto inicial de dragagem. Figura II.12 – Ilustração de uma draga autotransportadora apresentando o lançamento de sedimentos na superfície do fluido através do vertedor (overflow). Fonte: Sítio www.vanoord.com. D – Dragagem por Injeção – WID A dragagem hidrodinâmica por injeção de água é caracterizada pela ação de um jato com baixa pressão manométrica e grande volume de água, fluidificando os sedimentos de fundo e gerando uma turbidez próxima ao leito, como ilustrado na figura II.13. Essa operação gera uma pluma de sedimentos com densidade maior que o fluido ambiente favorecendo o surgimento do efeito de corrente de densidade ou corrente de turbidez cujo propósito é direcionar as partículas ressuspensas para águas mais profundas (Relatório SEBA, 1999). Este método de dragagem é o objeto deste trabalho e será descrito com mais detalhes no Capitulo III. Sedimentos lançados pelo “vertedor” da Draga Draga Autotransportadora em operação 22 Figura II.13 – Ilustração do processo de dragagem por injeção de água mostrando os parâmetros necessários para induzir a formação da corrente de densidade. Fonte: ThamesWeb – Maintenance Dredging. DRAGAGEM POR INJEÇÃO DE ÁGUA Movimento dos Sedimentos Injeção de Água Grandes volumes de água são injetados no fundo para suspender os sedimentos 23 II.4 – Dragagem no Porto de Itajaí II.4.1 – Especificações do Porto de Itajaí II.4.1.1 – Histórico Segundo registros históricos, os primeiros estudos referentes ao Porto de Itajaí datam de 1905, realizados pela Comissão de Melhoramentos dos Portos e Rios. Por volta de 1914, foi construída a primeira obra, composta dos 700 metros do molhe Sul, seguidas mais tarde das obras do molhe Norte. O porto propriamente dito foi iniciado em 1938, com a construção do primeiro trecho de cais, com 233 metros de comprimento e estrutura em concreto armado, e do primeiro armazém. No início da década de 1950 foi construído o segundo trecho de 270 metros, concluindo-se em 1956 mais 200 metros, além da construção de um armazém frigorífico, voltado, na época, às necessidades da atividade pesqueira. O Porto de Itajaí passou a ser considerado porto organizado em 28 de junho de 1966, quando foi instalada a Junta Administrativa do Porto de Itajaí, subordinada ao Departamento Nacional de Portos e Vias Navegáveis. Em 1976, com a criação da Empresa de Portos do Brasil S.A. – PORTOBRÁS, o gerenciamento do terminal itajaiense passou a ser exercido pela Administração do Porto de Itajaí, diretamente vinculada àquela estatal. A partir desse período verificou-se um crescimento acentuado da sua movimentação e, com a melhoria na sua organização administrativa, a Administração do Porto passou a ser um órgão representativo na comunidade portuária. Com a lei 8.029, de 1990, a PORTOBRÁS foi extinta, e após momentos de incertezas e indefinições oriundas de uma situação não prevista, e ainda, para que pudesse continuar com suas atividades normais sem sofrer solução de continuidade, a Administração do Porto de Itajaí passou a ser subordinada à Companhia Docas do Estado de São Paulo – CODESP, situação que perdurou até 1º de junho de 1995, quando o Ministério dos Transportes descentralizou a gestão do porto ao Município de Itajaí, através da Administradora Hidroviária Docas Catarinense. Em dezembro de 1997, o Porto de Itajaí foi delegado ao município pelo prazo de 25 anos. Passou a ser chamado de Superintendência do Porto de Itajaí em 6 de junho de 2000, através da Lei Municipal 3.513. 24 II.4.1.2 – Localização do Porto O Porto de Itajaí está localizado à margem direita do rio Itajaí-Açu, a 3,2km de sua foz, no Município de Itajaí, litoral norte do Estado de Santa Catarina, a meio caminho entre a capital de Santa Catarina, Florianópolis, e a cidade catarinense mais populosa, Joinville, sendo suas coordenadas geográficas: latitude 26º54’02” sul e longitude 48º39’04” oeste. A zona de jurisdição de porto limita-se ao norte pela divisa entre os municípios de Barra Velha e Piçarras e ao sul até o município de Garopaba. A ilha de Santa Catarina, onde se situa a cidade de Florianópolis, capital do Estado, se encontra sob a jurisdição do porto de Itajaí. O porto é administrado, no momento, pela Prefeitura de Itajaí. Figura II.14 – Ilustração da localização do Porto de Itajaí no litoral de Santa Catarina Porto de Itajaí http://www.guianet.com.br/sc/index.html http://www.guianet.com.br/sc/index.html 25 Do embarque de frangos para o exterior, cerca de 90% é realizada pelo Porto de Itajaí. É o terceiro no ranking nacional de movimentação de contêineres, registrado durante o ano de 2003, estando em primeiro o Porto de Santos e segundo o Porto de Rio grande. Assim sendo, é o escoadouro natural da economia estadual e agora também de províncias argentinas limítrofes. Sede da AMFRI - Associação dos Municípios da Foz do Rio Itajaí-Açu e sede também da Capitania dos Portos de Santa Catarina. É considerado um dos principais pólos de desembarque pesqueiro nacional onde várias industriais de processamento de pescado estão instaladas às margens do estuário, principalmente no Município de Itajaí. A região é constantemente dragada para a manutenção da profundidade do canal de navegação. A dragagem utiliza uma draga que trabalha através do sistema de injeção de água, que promove a fluidificação dos sedimentos finos que constituem o fundo (SCHETTINI, 2002). A superintendência do Porto de Itajaí, após dezoito meses de trabalho, obteve a certificação ISO15 9001:2000, pelo BVQI/Inmetro16, BVQI/RVA17, aceitação nacional e internacional, respectivamente. Tornando-se, assim, a primeira Autoridade Portuária, no Brasil, a obter essa certificação, o que qualifica o Porto como prestador de serviços portuários com padrão de qualidade internacional. Em julho de 1983, em conseqüência de fortes chuvas, houve um grande aumento na vazão e na velocidade das águas fluviais do Rio Itajaí-Açú, gerando uma forte corrente que causou uma erosão superior a doze metros de profundidade na região portuária e, como isto, o afundamento de parte do Cais próximo ao berço nº. 4, além de profundas alterações no leito do estuário. Durante esta cheia, na bacia de evolução do Porto de Itajaí, foi medida a velocidade da corrente que atingiu 3m/s e o nível de água se elevou a cota de 3,80m acima do zero hidrográfico da DHN (DIENG–Relatório INPH 65/99, 1999). As obras de reconstrução do berço danificado encerraram-se em 1988. 15 ISO – “International Standard Organization” – Organização de Padronização Internacional que, através de normas pré-estabelecidas, define a qualificação, através de metodologias, para um tipo de serviço ou para fabricação de mercadorias. 16 BVQI/Inmetro – Órgão brasileiro responsável pela avaliação e acompanhamento das exigências das
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