Geometria hidráulica e capacidade de escoamento dos rios brasileiros

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental, Florianópolis, 2025.

As características geométricas das seções de rios naturais são influenciadas pelos regimes climático e hidrológico, formações geomorfológicas e vegetação. Mudanças climáticas e no uso da terra podem alterar o formato dos canais dos rios e a forma como a vazão é distribuída em sua seção, intensificando processos erosivos e aumentando o perigo de inundações. A largura do topo, profundidade e velocidade médias da seção molhada mudam com a vazão seguindo leis de potência descritas pela teoria da geometria hidráulica em uma seção (TGH). As elações da TGH indicam a relação dos parâmetros da seção com a vazão, o que permite sua utilização, por exemplo, na estimativa de vazões por sensoriamento remoto, modelos de fluxo de nutrientes e estimativa da condutividade hidráulica da zona hiporreica No entanto, enquanto a maioria dos rios segue as leis de potência da TGH, os padrões espaciais dos expoentes e coeficientes além da escala de trechos de rios permanecem pouco compreendidos. O Brasil possui alguns dos maiores rios do mundo, com grande regularização de suas vazões e alteração no fluxo de sedimentos. Por outro lado, estudos sobre a geometria hidráulica e tendências na morfologia de suas seções são praticamente inexistentes. Assim, o objetivo geral deste trabalho é analisar os fatores que governam a geometria do canal, especificamente e quantificar as relações entre a geometria hidráulica, as características hidroclimáticas e a capacidade de escoamento do canal em rios brasileiros, visando compreender os impactos dessas variáveis sobre o perigo de inundação em diferentes contextos espaciais e temporais. Foram obtidas séries fluviométricas e parâmetros hidráulicos medidos de 479 seções transversais distribuídas nos principais rios brasileiros, assim como características fisiográficas, climáticas e geológicas das bacias hidrográficas de cada seção. Quantificou-se a variabilidade regional dos parâmetros hidráulicos através da teoria da geometria hidráulica em uma seção sob diferentes condições climáticas e analisou-se a tendência da geometria da seção e seu impacto na capacidade de escoamento do canal. Os resultados mostraram que os expoentes e coeficientes da geometria hidráulica seguem um padrão espacialmente coerente. A largura está relacionada à aridez da bacia, sendo maior em bacias mais secas com um baixo índice de fluxo de base e sua distribuição espacial está relacionada ao formato da seção transversal em nível de margens plenas. Os coeficientes de largura e velocidade são fortemente dependentes da área da bacia. Enquanto a velocidade tem menor variação a largura aumenta com o aumento área da bacia. Em relação às mudanças na geometria das seções, a elevação média do leito se correlaciona diretamente com a capacidade de escoamento do canal, havendo uma relação de causalidade onde a variabilidade das vazões altas altera o formato da seção, e a seção controla a capacidade de escoamento do canal e seu efeito sobre o perigo de inundação. O efeito da capacidade do canal é significativo em mais locais e alcança maior magnitude do que o efeito da frequência das vazões sobre o perigo de inundação. O grau de regularização de vazões se sobrepõe ao sinal climático e fisiográfico em regiões áridas, intensificando processos de assoreamento e erosão na escala de tempo decadal. A visão integrada dos processos simultâneos que desencadeiam as inundações e controlam a geometria do canal são fundamentais para dar apoio à previsão de cheias e gestão de inundação, além de darem apoio à tomada de decisão sobre os locais de monitoramento hidrológico.

Abstract: The geometric characteristics of natural river cross sections are influenced by climatic and hydrological regimes, geomorphological formations and vegetation. Changes in climate and land use can alter the shape of river channels and the way in which flow is distributed across their sections, intensifying erosion processes and increasing the hazard of flooding. The width of the top, depth and average velocity of the wetted section change with flow following power laws described by the theory of hydraulic geometry in a section (THG). The THG equations indicate the relationship of the section parameters with the flow, which allows their use, for example, in the estimation of flow rates by remote sensing, nutrient flux models and estimation of the hydraulic conductivity of the hyporheic zone. However, while most rivers follow the THG power laws, the spatial patterns of the exponents and coefficients beyond the scale of river sections remain poorly understood. Brazil has some of the largest rivers in the world, with great regularization of their flows and alteration in sediment flux. On the other hand, studies on hydraulic geometry and trends in the morphology of its sections are practically nonexistent. Thus, the general objective of this work is to analyze the factors that govern channel geometry, specifically to quantify the relationships between hydraulic geometry, hydroclimatic characteristics and channel flow capacity in Brazilian rivers, aiming to understand the impacts of these variables on flood hazard in different spatial and temporal contexts. Fluviometric series and measured hydraulic parameters were obtained from 479 cross sections distributed in the main Brazilian rivers, as well as physiographic, climatic and geological characteristics of the hydrographic basins of each section. The regional variability of hydraulic parameters was quantified through the theory of hydraulic geometry in a section under different climatic conditions and the trend of the section geometry and its impact on the channel flow capacity were analyzed. The results showed that the exponents and coefficients of hydraulic geometry follow a spatially coherent pattern. The width is related to the aridity of the basin, being greater in drier basins with a low base flow index, and its spatial distribution is related to the shape of the cross section at the level of full banks. The width and velocity coefficients are strongly dependent on the basin area. While the velocity has less variation, the width increases with the increase in the basin area. Regarding the changes in the geometry of the sections, the average elevation of the bed is directly correlated with the flow capacity of the channel, with a causal relationship where the variability of high flows changes the shape of the section, and the section controls the flow capacity of the channel and its effect on the flood hazard. The effect of the channel capacity is significant in more locations and reaches greater magnitude than the effect of the flow frequency on the flood hazard. The degree of flow regularization overlaps the climatic and physiographic signal in arid regions, intensifying siltation and erosion processes on the decadal time scale. An integrated view of the simultaneous processes that trigger floods and control channel geometry is essential to support flood forecasting and flood management, as well as supporting decision-making on hydrological monitoring sites.