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UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ KLEYSON SOUZA CAMPOS MODELAGEM HIDRÁULICA Lagoa Mirim Itabira 2020 KLEYSON SOUZA CAMPOS MODELAGEM HIDRÁULICA Lagoa Mirim Trabalho final, apresentado a ao professor Dr. Fernando Neves Lima, como parte das exigências para a obtenção de créditos na disciplina prática de hidrovias continentais e marítimas. Itabira 2020 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ......................................................................................................... 4 1.1 TRANSPORTE DE CARGA ....................................................................................... 5 1.2 CARACTERIZAÇÃO DA ÁREA DE ESTUDO .................................................................. 6 2 OBJETIVOS ............................................................................................................. 8 2.1 OBJETIVOS SECUNDÁRIOS ..................................................................................... 8 3 METODOLOGIA ...................................................................................................... 8 3.1 LEVANTAMENTO DAS CARACTERÍSTICAS LOCAIS ...................................................... 8 3.2 CANAL ................................................................................................................. 9 3.3 HEC RAS ......................................................................................................... 10 3.4 MODELAGEM HEC RAS ..................................................................................... 10 3.5 SIMULAÇÃO DAS VAZÕES NO HEC RAS ............................................................... 16 3.6 TRECHO EM CURVA ............................................................................................. 20 4 RESULTADOS ....................................................................................................... 21 5 CONCLUSÃO ........................................................................................................ 22 REFERÊNCIAS ......................................................................................................... 23 4 1 INTRODUÇÃO A navegação fluvial brasileira foi um marco na consolidação das fronteiras e de integração do País, corroborando para a fixação da população e descobrimento de riquezas mais afastadas do interior brasileiro (MMA, 2006). O Brasil possui uma vasta rede hidrográfica sendo dividida em doze regiões conforme a tabela 1. Tabela 1: Vias Navegáveis Interiores e Extensões Regiões Hidrográficas Rios Navegáveis (km) Amazônica Amazonas, Solimões, Negro, Branco, Madeira, Tapajós, Teles Pires e Guaporé 28890 Tocantins-Araguai Tocantins, Araguaia, das Mortes e Capim 6737 Atlântico Nordeste Ocidental Mearim, Pindaré e Itapicurú 2685 Parnaíba Parnaíba e Balsas 1555 Atlântico Nordeste Oriental - - São Francisco São Francisco, Grande e Corrente 3611 Atlântico Leste - - Atlântico Sudeste Parnaíba do Sul, Doce e Jequitinhonha 221 Paraná Tietê, Piracicaba, Paranaíba, Grande, Ivaí e Ivinhema 5084 Paraguai Paraguai, Cuiabá, Miranda, São Lourenço, Taquarí e Jaurú 4630 Uruguai Uruguai e Ibicuí 1500 Atlântico Sul Jacuí, Taquarí, Lagoa dos Patos e Lagoa Mirim 1681 Fonte: ANA (2015) A quilometragem de vias navegáveis mencionada na tabela 1, vale ressaltar o conceito de navegabilidade, sendo entendida de duas formas. A primeira, exprime uma via fluvial navegável predominantemente nas cheias e em condições não totalmente satisfatórias para segurança. A segunda, que é aceitável em nível internacional, caracteriza uma via navegável, o ano todo. Neste contexto toda quilometragem mencionada na tabela 1, está embutido os dois conceitos (MMA, 2006). 5 1.1 Transporte de Carga Desde o princípio da história da humanidade mais evidenciado na Idade Média a navegação por rios e mares dominava a movimentação de alimentos e mercadorias pelo mundo. O transporte de cargas realizado pelas hidrovias no ano de 2019 em comparativo com os anos anteriores, com ênfase nas principais cargas, demostra tal evolução do modal aquaviário, representado pela figura 1. Figura 1: Transporte de Carga. Fonte: ANTAQ O transporte de carga pode ser feito por três tipos de navegação, cabotagem, longo curso e interior uma não sendo excludente da outra. De acordo com a Agência Nacional de Transportes Aquaviários (ANTAQ), o modo cabotagem é a navegação entre portos marítimos, sem perder a costa de vista é feita entre os portos ou pontos do território brasileiro, utilizando a via marítima ou por vias navegáveis interiores. A navegação interior refere-se ao transporte feito em hidrovias interiores, em percurso nacional ou internacional. Já para a navegação realizada entre portos brasileiros e estrangeiros podendo ser por cabotagem e/ou interior é conhecida por navegação de longo curso. O transporte de cargas pelo modal hidroviário interior tem crescido abruptamente em comparação aos outros tipos de navegação, conforme a figura 2. Entre os anos de 2016 a 2019 ouve um aumento muito expressivo se comparado aos demais anos. https://pt.wikipedia.org/wiki/Navega%C3%A7%C3%A3o https://pt.wikipedia.org/wiki/Porto_(transporte) https://pt.wikipedia.org/wiki/Litoral 6 Figura 2: Evolução por tipo de navegação. Fonte: ANTAQ 1.2 Caracterização da área de estudo Localizada no extremo sul do território nacional a Bacia Hidrográfica da Lagoa Mirim possui uma superfície de aproximadamente 62.250 Km² de área, dos quais 47% em território brasileiro e 53% em território uruguaio, tornando-se a segunda maior lagoa do Brasil e uma importante bacia transfronteiriça onde prevalece o regime de águas compartilhadas, conforme o Tratado da Lagoa Mirim de 1909 (BELTRAME, TUCCI, 1998). Figura 3: Mapa de localização da Bacia Hidrográfica da Lagoa Mirim. Fonte: ALM (2020). 7 No sistema natural da Lagoa Mirim, as ações antrópicas nos dois países são agricultura, a indústria e abastecimento humano. Dentre estas, a atividade que demanda maior quantidade de água é a irrigação do arroz. Desta forma a Lagoa mirim quanto a Lagoa dos Patos e Lagoa Mangueira, são utilizadas como reservatórios naturais de regularização. O canal de São Gonçalo (figura 4) possui um sistema de comportas, construído para evitar a salinização da Lagoa Mirim, mas que tem muito pouco efeito sobre a regularização da Lagoa, outra obra é a barragem do Arroio Chasqueiro e o sistema de irrigação são obras públicas que visa aumentar a disponibilidade hídrica e garante a produção agrícola (BELTRAME, TUCCI, 1998). Figura 4: A Barragem/Eclusa do canal de São Gonçalo. Fonte: ALM (2020) De acordo com o Instituto de Pesquisas Hidráulicas (IPH), a Lagoa Mirim possui uma precipitação que variam entre 1.100 a 1.450 mm, de Sul para Norte, conforme a figura 3. As profundidades em mais de 95% da área da lagoa variaram entre 1 e 5 metros e em certos pontos atingiram cerca de 12 m. A vazão específica varia de 12 l/s.km² a 20 l/s.km², no sentido de Sul a Norte. Desta forma, o coeficiente de escoamento varia entre 0,38 e 0,47. A Lagoa Mirim tem uma superfície da ordem de 3.500 km². Sendo a vazão média de afluência à Lagoa Mirim e ao canal São Gonçalo de 787 m³/s, com um volume em torno de 12,4 x 10⁹ m³ sendo que este volume se renova a cada 205 dias aproximadamente. A evaporação é caracterizada pela temperatura, com valores mais altos no verão, 8 entre os meses de novembro a fevereiro. Os trimestres com menos chuvas são de outubro a dezembro, e o de menor afluência é de dezembro a fevereiro. Os volumes mais baixos da lagoapodem ser observados no trimestre de março a maio, em parte ocasionada pela irrigação. Estes valores foram obtidos ao longo de 31 anos de observação entre os anos de 1965 a 1995 (BELTRAME, TUCCI, 1998). 2 OBJETIVOS Realizar um dimensionamento de um canal com uso de simulação em modelagem hidráulica com no mínimo 10 km de extensão com pelo menos duas seções transversais em mão dupla no trecho da hidrovia estudada. 2.1 Objetivos secundários • Propor balizamento e sinalizações se necessário; • Discutir qual é o ganho de se ter a hidrovia na região estudada em termos de transporte e logística; • Dimensionar pelo menos uma curva no trecho, calculando a superlargura levando em conta o calado mínimo; • Discutir a probabilidade de não atendimento da hidrovia. 3 METODOLOGIA 3.1 Levantamento das características locais A costa leste da Lagoa Mirim ficou aprisionada por uma barreira de dunas, impossibilitando a sua ligação com o oceano, sendo assim a única saída de água da lagoa Mirim é através do canal São Gonçalo, que é um canal natural de aproximadamente 76 km de comprimento e com uma largura variando entre 200 a 300 metros ligando a Lagoa dos Patos. Em termos hidrológicos, a Lagoa Mirim possui uma característica sendo considerada com declividade nula (STEINKE, 2007). O sentido mais comum de escoamento é da Mirim para a lagoa dos Patos, entretanto, pode se reverter quando o nível da lagoa Mirim está muito baixo. Para evitar o risco de salinização da Mirim nestas situações, no final da década do 70 foi construído, um conjunto de comportas e uma eclusa, cujas as comportas não tem condições de suportar desníveis ente montante e jusante maiores que 0,50 m. De 9 fato, em geral a estrutura simplesmente deixa passar a água que vem da lagoa Mirim, e quando há risco de inversão de fluxo, Patos para Mirim as comportas são fechadas de maneira a dificultar a saída de água. A vazão específica varia de 12 l/s.km² a 20 l/s.km², no sentido de Sul a Norte. Sendo assim, o coeficiente de escoamento varia entre 0,38 e 0,47. Sendo a vazão média de afluência à Lagoa Mirim e ao canal São Gonçalo de 787 m³/s, com um volume em torno de 12,4 x 10⁹ m³ sendo que este volume se renova a cada 205 dias aproximadamente. 3.2 Canal De acordo com Ortega entre as seções mistas formadas por seções simples (retângulo, quadrado, trapézio e triângulo), a com melhor eficiência em relação a área mínima, são as formadas por retângulo seguida de trapézio. Para construir um canal artificial é necessário revesti-lo a partir de um material natural ou não, existe inúmeros tipos de revestimentos entre eles os mais comuns são: • Terra; • Enroncamento; • Gabião; • Pedra argamassada com fundo natural; • Concreto com fundo natural; • Concreto. De maneira geral, a escolha de se revestir ou não um canal e o tipo de revestimento mais adequado se dá através de questões econômicas, exceto alguns casos que seja expressivamente necessário a escolha de um tipo de revestimento. Diante disso, por se tratar de um solo com características arenosas nas proximidades da lagoa mesmo este local sendo de baixa declividade quase nula, será adotado um canal com revestimento de gabião, com uma rugosidade de Manning entre 0,022 condições muito boa à 0,035 condição regular, trazendo assim uma economia para sua implantação e proteção contra erosões produzidas pela chuva e pelo impacto das ondas geradas pelas embarcações (LUNA, 2013). 10 3.3 HEC RAS HEC-RAS (Hydrologic Engineers Corps – River Analysis System) que traduzida significa Sistema de Análises de Rios do Corpo de Engenharia do Exército Norte Americano. O software baseia nas equações de Saint-Venaunt uni ou bidimensionais, sendo a versão utilizada neste trabalho a 5.0.7. Conforme o manual básico HEC-RAS, para a construção do modelo de simulação hidrodinâmica são necessárias as seguintes informações: • Geometria do local; • Coeficiente de Rugosidade; • Condições de contorno; • Condições de cálculo. Uma das principais vantagens do software é a sua gratuidade, alto grau de precisão e confiabilidade permitindo considerar os dados apresentados como significativos para tomadas de decisões. 3.4 Modelagem HEC RAS Para começar o modelo é necessário definir o sistema de unidade que se encontra na aba de opções. Figura 5: Sistemas de Unidades Nesta versão utilizada possui três opções para seleção de unidades, à escolhida e a mais utilizada é o sistema internacional (SI), conforme a figura 5. A próxima etapa é a inserção dos dados geométricos do canal, como demonstrado pela figura 6. A Lagoa Mirim possui apenas uma saída de água a ligação com a Lagoa dos Patos, sendo está o canal São Gonçalo. Para exemplificar será considerado a Lagoa Mirim a parte montante e a Lagoa dos Patos jusante e o canal com uma extensão de 76 Km e sua largura variando de 300 metros à 11 montante e chegando a 200 metros à jusante, com uma profundidade fixa de 13 metros. Figura 6: Geometria A próxima etapa é a inserção de uma seção do canal. Na opção Cross Section (figura 7), abrira uma nova guia pedindo para inserir a identificação da seção no canal. É necessário que seja identificada por um valor numérico, sendo esse valor numérico descrevendo a posição dessa seção ao longo do canal. Essas seções são inseridas de montante (Lagoa Mirim) para jusante (Lagoa dos Patos), ou seja, quanto menor o valor da seção, mais a jusante ela estará. Figura 7: Cross Section 12 Com auxílio da ferramenta Google Earth é possível identificar o desnível entre as lagoas Mirim e Patos, representado pelas figuras 8, 9 e 10. Figura 8: Cota a montante (Lagoa Mirim) Figura 9: Cota mais alta entre as lagoas 13 Figura 10: Cota a jusante (Lagoa dos Patos) Por se tratar de um desnível muito baixo quase nulo entre as lagoas, as cotas que fazem parte da tabela Cross Section Coordinates terão uma diferença de 50 centímetros entre montante e jusante. Ademais, por serem próximos ao nível do mar os valores das cotas teriam valores negativos, por esse motivo será dispostos cotas que não representam o real. Para prosseguir é necessário preencher a tabela Cross Section Coordinates. Essas seções são representadas em corte, ou seja, as estações são identificadas pelo eixo X e as elevações pelo eixo Y. Como a seção do canal é mista de base variando entre 200 a 300 metros, as estações são localizadas de 1 a 8 e as elevações são locadas através de suas cotas, da base e da altura. Como representado pelas figuras 11 e 12. 14 Figura 11: Seção a jusante (Lagoa dos Patos) Figura 12: Seção a montante (Lagoa Mirim) Para facilitar o trabalho em vez de colocar seção por seção, no HEC RAS possui uma ferramenta de interpolação sendo descrita pela figura 13, na janela Geometric Data, possui a opção XS Interpolation que fara as seções entre montante e jusante de acordo com o máximo de distância desejada, na qual foi de 9500 metros em 9500 metros, tendo assim 7 seções entre as lagoas. 15 Figura 13: Interpolação entre montante e jusante O próximo passo após finalizado o esquema da geometria é inserir os dados do escoamento. Na aba PF 1 está inserido a vazão média de afluência à Lagoa Mirim e ao canal São Gonçalo de 787 m³/s, descrito pela figura 14. Figura 14: Vazão de afluência Por causa da declividade ser de 0,5/76000 m/m, sendo considerada muito pequena quase nula, conclui-se que o regime de escoamento é subcrítico. Com isso é utilizada a condição de contorno Normal Depth, representado pela figura 15. 16 Figura 15: Declividade e condições de contorno 3.5 Simulação das vazões no HEC RAS Uma vez que ageometria e o escoamento foram determinados, pode-se executar a simulação do escoamento. Com a opção Cross-Sections será capaz de visualizar o resultado seção por seção, na qual foi escolhido as seções de entrada e saída, como representado pelas figuras 16 e 17. Figura 16: Nível d’água (Lagoa Mirim) 17 Figura 17: Nível d’água (Lagoa dos Patos) Outra forma de se visualizar o resultado do escoamento é a opção X-Y-Z Perspective Plot, retratado pela figura 18, em que é possível ver a perspectiva em 3D do escoamento. Figura 18: Perspectiva 3D 18 Para se ter um conhecimento da velocidade de escoamento entre as lagoas o programa HEC RAS possui a opção General Profile Plot, sendo demonstrado pela figura 19. O comportamento da velocidade gerado pelo programa mostra um início entorno de 0,28 m/s na lagoa Mirim e aumentando a velocidade ao longo do trecho de forma quase retilínea, tendo seu final 30 porcento maior. Figura 19: Velocidade de escoamento Na janela principal do HEC-RAS, encontra-se a opção Summary Err, Warn, Notes onde é possível visualizar as mensagens de erros, advertências e notas sobre o escoamento. Sendo que a simulação rodada não foi verificada nem um tipo de erro, avisos ou notas sobre o escoamento, conforme a figura 20. 19 Figura 20: Erros, advertências e notas De acordo com Souza (2012) o número de Froude (figura 21), é a relação entre a velocidade do escoamento e a celeridade, sendo que celeridade é a velocidade de propagação de uma onda de pressão no fluido. O Número de Froude (Fr) classifica o regime de escoamento em Subcrítico, Supercrítico e Crítico. Regime crítico ocorre quando Fr = 1, Supercrítico Fr > 1, quando Fr < 1 dizemos que o regime é subcrítico ou fluvial, velocidades menores e águas calmas, além disso não é possível a ocorrência do fenômeno ressalto hidráulico de acordo com Peterka (1974). Figura 21: Número de Froude 20 3.6 Trecho em curva De acordo com a Capitania dos Portos do Rio Grande do Sul (CPRS), a Lagoa Mirim possui um calado de 1,50 metros, já a Lagoa dos Patos possui um calado de 5,18 metros e o canal São Gonçalo possui um calado de 5,18 metros em área dragada e 2,50 metros em área não hidrografada. A Lagoa dos Patos é navegada atualmente por embarcações comerciais com calado de até 5,1 metros, possibilitando o acesso marítimo até Porto Alegre. Para manter a homogeneidade das características das hidrovias do Rio Grande do Sul, foi adotado o calado de 2,50 metros. A Permanent International Association of Navigation Congress (PIANC) é a Associação Mundial de Infraestrutura de Transportes Aquaviários, sugere que se utilizem para pé piloto os percentuais de 20% do calado para zonas de mar aberto, 15% em canais e zonas expostas a uma forte influência do mar e 10% em canais interiores. No caso específico da Lagoa Mirim que faz ligação através do canal São Gonçalo a Lagoa dos Patos, que por sua vez faz com o mar, estabeleceu-se, para o cálculo do pé de piloto, o percentual de 20% do calado, resultando em 0,50 m. Figura 21: Características básicas das embarcações. Fonte: MACKENZIE Para efetuar um trecho em curva precisa-se saber das características básicas das embarcações, descrita pela figura 21 e quais embarcações mais utilizadas em torno. Neste caso a lagoa Mirim e dos Patos, de modo geral os tipos de embarcações fluviais são automotores e comboios de empurra. 21 Utilizando a Portaria No 32/CFPN, de 10 de agosto de 2017, correspondente a capitania fluvial do pantanal, que no Art. 1°, traz as dimensões dos comboios formados por rebocadores / empurradores (R/E) cuja potência total dos motores propulsores esteja na faixa entre 4.300 HP a 6.500 HP e barcaças, sendo dotados do comprimento máximo de 290 metros e da largura máxima de 65 metros, respeitando um calado máximo de 2,59 metros ou 8,5 pés e mantendo um pé de piloto mínimo de 0,5 metro. Por ser tratar de um canal com largura variando entre 200 e 300 metros admite-se, que a largura mínima do canal deverá ser igual a 4 vezes a largura total do comboio, sendo assim a largura máxima da embarcação que poderá transitar pelo canal corresponde a 50 metros, área mínima de seção transversal deve ser no mínimo 6 vezes a área da seção mestra molhada da embarcação – tipo ou do comboio e caso admitam-se curvas mais fechadas dever se a adotar sobrelargura (S) de: S = L² / 2 x R Onde: L - Comprimento; R - Raio. Sem restrição de velocidade nas curvas, o raio mínimo de curvatura deverá ser de, 10 x Lc, onde Lc é a largura nominal. S = 290² / 2 x 2000 S = 21,025 metros 4 RESULTADOS É fundamental aceitar que a simulação acima não é conclusiva. Os resultados encontrados não apresentam a realidade, mesmo o programa HEC RAS não ter apontado nem um erro, advertência ou notas. Além disso, faz se necessário a realização de estudos mais precisos, com relação ao fundo do canal São Gonçalo, as curvas existentes, tipo de solo, variação do calado mínimo, todos esses parâmetros também se aplicam para a Lagoa Mirim e dos Patos. 22 Entretanto, a simulação realizada por esse trabalho demostra alguns números importantes. Com a vazão de projeto para um canal com largura mínima de 200 metros, a montante, e máxima de 300 metros, a jusante, e uma profundidade fixa de 13 metros. Os resultados demostraram que um canal trapezoidal com um ângulo de 45° graus, o mínimo necessário de altura é de 10 metros, menos que isso muito provável que esse canal não suporte e transborde. Outro ponto a se destacar nos resultados da simulação foram obtidas através da figura 21, que comprovam os valores esperados da velocidade de escoamento entre as lagoas, tais valores mostram uma velocidade de escoamento muito baixa, que condizente com a realidade, pois tratam se de uma declividade extremamente baixa quase nula. Vale ressaltar também os valores encontrados com relação ao número de Froude (Fr), sendo estes adequados para o transporte aquaviário. 5 CONCLUSÃO Des dos tempos mais remotos a navegação de um modo geral, fluvial como a marítima corroboraram na consolidação das fronteiras e de integração dos países. No Brasil a navegação fluvial teve um grande papel para a fixação da população e descobrimento de riquezas mais afastadas do interior brasileiro. Entretanto, O transporte marítimo é o mais importante, tendo uma porcentagem expressiva no comércio, apesar do transporte fluvial ser mais econômico e limpo, é o menos utilizado. Entre todos os modais existentes, o rodoviário é o mais empregado no Brasil. Por possuir uma alta flexibilidade nas rotas com sede a ele uma vantagem aos demais. Contudo, o transporte aquaviário vem ganhando mais espaço nos últimos anos. Uma das formas de ver esse crescimento é a navegação interior que se refere ao transporte feito em hidrovias interiores, nacional ou internacional, tendo um crescimento de quase 32% em comparação ao ano de 2014. Um dos motivos que levam a este aumento é o baixo custo de operação, grande volume a ser transportado e a deficiência do modelo atual rodoviarista. Ficou evidente que não é tarefa fácil o dimensionamento de um canal, visto as minuciosidades para a sua implantação. No entanto ao longo da elaboração deste trabalho, é notório a precariedade no transporte aquaviário, principalmente o transporte feito exclusivamente por navegação interior. Demonstrando que não basta apenas ter um rio ou uma lagoa é fundamental mais pesquisas, melhorias e 23 manutenções das hidrovias, para que se possa consolidar mais o transporte aquaviário no Brasil. REFERÊNCIAS AGÊNCIA DE DESENVOLVIMENTODA BACIA DA LAGOA MIRIM (ALM) (Brasil) (org.). Bacia Hidrográfica da Lagoa Mirim. [S. l.], [200-?]. Disponível em: https://wp.ufpel.edu.br/alm/?page_id=2103. Acesso em: 5 out. 2020. AGÊNCIA NACIONAL DE ÁGUAS (ANA) (ed.). Acervo Educacional Sobre Água. In: Vias Navegáveis. [S. l.], [200-?]. Disponível em: https://capacitacao.ana.gov.br/conhecerh/. Acesso em: 26 set. 2020. AGÊNCIA NACIONAL DE TRANSPORTES AQUAVIÁRIOS (ANTAQ). 2013. Relatório de metodologia, Brasil, p. 1-95, fevereiro 2013. Disponível em: https://nuvem.antaq.gov.br/index.php/s/j9LlS3AuUrnBojJ#pdfviewer. Acesso em: 30 set. 2020. BELTRAME, L. F. S.; TUCCI, C. E. M. (Organizadores). Estudo para avaliação e gerenciamento da disponibilidade hídrica da Bacia da Lagoa Mirim. 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Tese (Mestrado em Engenharia Civil) - Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, São Paulo, 2012. Disponível em: https://teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3147/tde-21062013- 100507/publico/Diss_Thiago_Borges_Ortega.pdf. Acesso em: 18 set. 2020. PADOVEZI, Carlos Daher. Conceito de embarcações adaptadas à via aplicado à navegação fluvial no Brasil. 2003. 284 p. Tese (Doutorado em Engenharia) - Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, [S. l.], 2003. Disponível em: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3135/tde-26112003. Acesso em: 13 out. 2020. PLANO NACIONAL DE INTEGRAÇÃO HIDROVIÁRIA (PNIH). 2013. Apresentação do Plano Nacional de Integração Hidroviária, Brasília: Prezi, p. 1-157, fevereiro 2013. Disponível em: http://web.antaq.gov.br/portalv3/PNIH/ApresentacaoPNIHLancamento19Fev2013.pdf . Acesso em: 15 out. 2020. SOUZA, Pedro Ernesto de Albuquerque. 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