Hydrodynamic impacts of wharf reconstruction aligned with channel expansion under urbanization

Resumo Técnico: Impactos Hidrodinâmicos da Reconstrução de Cais Alinhada com a Expansão de Canais sob Urbanização

Definição do Problema
A urbanização e a integração econômica regional no Delta do Rio das Pérolas aumentaram a demanda por navegação fluvial e transporte de carga, necessitando simultaneamente da expansão de canais e da reconstrução de cais. Embora os cais suportados por estacas abertas sejam preferíveis para manter a capacidade de vazão de inundação em comparação com o aterro sólido, os efeitos hidrodinâmicos locais específicos dessas estruturas em canais fluviais de maré permanecem insuficientemente quantificados. Pesquisas anteriores concentraram-se amplamente na resistência ao fluxo de rios e estuários e no transporte de sedimentos, mas não abordaram plenamente como as formas estruturais específicas do cais — particularmente a geometria das estacas (quadrada vs. circular) e a escala do grupo de estacas — afetam as estruturas de fluxo de campo próximo, o desenvolvimento de esteiras e a potencial retenção de sedimentos em ambientes de maré interior. Este estudo aborda a lacuna na compreensão da resposta hidráulica localizada à reconstrução de cais no Canal de Shunde, um canal de maré interior representativo influenciado tanto pelo escoamento a montante quanto pelas marés a jusante.

Metodologia
O estudo empregou um modelo hidrodinâmico tridimensional (3D) utilizando o software MIKE 3 FM (Flexible Mesh) para simular o trecho de estudo do Canal de Shunde.

• Estrutura do Modelo: O modelo utilizou um esquema de volume finito explícito centrado em células para resolver as equações de Navier–Stokes incompressíveis sob a aproximação de Boussinesq. A malha computacional consistiu em uma grade híbrida não estruturada com elementos horizontais triangulares e camadas verticais prismáticas, apresentando quatro níveis de refinamento aninhado (resolução de 1,7–15 m) ao redor do cais.
• Condições de Contorno: A simulação foi impulsionada por um evento de inundação representativo da estação úmida de junho de 2005 (vazão de pico ~10.859 m³/s). As fronteiras a montante utilizaram hidrogramas de vazão observados, enquanto as fronteiras a jusante foram prescritas com séries temporais de nível de água observadas.
• Cenários: Cinco cenários foram simulados para isolar variáveis:
  1. Sem cais: Linha de base de referência.
  2. 4 Estacas Quadradas: Para representar uma geometria específica.
  3. 4 Estacas Circulares: Para comparar a geometria (usando uma abordagem de área equivalente para garantir uma obstrução comparável).
  4. 8 Estacas Quadradas: Para avaliar o aumento da escala.
  5. 12 Estacas Quadradas: Para avaliar a expansão adicional da escala para canais mais profundos.
• Parametrização: A resistência hidráulica induzida pelas estacas foi modelada usando uma formulação de arrasto induzido pela corrente ($F = \frac{1}{2}\rho_w \gamma C_D A_e V^2$), onde a área projetada ($A_e$) foi ajustada com base na forma da estaca (retangular para estacas quadradas, raio equivalente para estacas circulares).
• Validação: O modelo foi validado em relação aos níveis de água observados, alcançando um Erro Quadrático Médio (RMSE) de 0,31 m e um Erro Absoluto Médio (MAE) de 0,23 m.

Principais Resultados

1. Perturbações do Nível da Água: A reconstrução do cais produziu apenas mudanças limitadas no nível da água sob a condição de inundação de 100 anos. As perturbações foram estritamente confinadas à região do grupo de estacas e à frente do cais. Embora a extensão espacial da área afetada tenha aumentado com o número de estacas (de 4 para 12), a magnitude da mudança no nível da água permaneceu pequena, indicando que não houve alteração da superfície de inundação em escala de trecho.
2. Velocidade do Fluxo e Geometria: O campo de velocidade provou ser mais sensível ao arranjo das estacas do que aos níveis de água.
   • Estacas Quadradas vs. Circulares: Ambas as geometrias mantiveram padrões de fluxo de grande escala semelhantes. No entanto, as estacas quadradas geraram uma deflexão de linha de corrente mais forte, gradientes de velocidade mais acentuados e zonas de esteira de baixa velocidade mais distintas em comparação com as estacas circulares. As estacas circulares resultaram em transições de velocidade mais suaves e distúrbios próximos às estacas mais fracos para uma área de obstrução comparável.
   • Efeitos de Escala: O aumento do número de estacas quadradas ampliou a área perturbada e intensificou a heterogeneidade do fluxo próximo ao cais, mas não alterou o padrão de fluxo em escala de trecho.
3. Resposta da Velocidade Seccional: As diferenças de velocidade ao longo das seções de observação foram localizadas, geralmente dentro de ±0,015 m/s. As mudanças concentraram-se próximas às posições projetadas das estacas, caracterizadas por zonas alternadas de aceleração e desaceleração. As estacas quadradas induziram respostas seccionais mais coerentes e localmente mais fortes em comparação com as bandas positivas/negativas descontínuas observadas com as estacas circulares.
4. Indicadores de Retenção de Sedimentos: As zonas de esteira simuladas a jusante das estacas e a faixa de baixa velocidade próxima à margem ao longo da frente do cais foram identificadas como potenciais áreas de retenção de sedimentos. Essa tendência foi mais pronunciada para estacas quadradas e grupos de estacas maiores devido ao aumento da separação do fluxo e das zonas de esteira de baixa velocidade conectadas.

Significância e Alegações
O artigo afirma que sua principal contribuição é uma avaliação baseada em modelagem da resposta hidráulica de campo próximo à reconstrução de cais em canais de maré interior. O estudo demonstra que, embora a reconstrução do cais induza distúrbios hidrodinâmicos localizados, ela não reorganiza significativamente o campo de fluxo transversal total ou os níveis de água em escala de trecho.

Os autores afirmam que as descobertas oferecem orientação prática para:

• Otimização Estrutural: Geometrias de estacas circulares podem ser preferíveis às estacas quadradas se o objetivo for reduzir a brusquidão do ajuste local do fluxo e minimizar gradientes de velocidade acentuados.
• Planejamento de Manutenção: O monitoramento pós-construção e a dragagem de manutenção devem visar especificamente as regiões de esteira atrás das estacas e as zonas de baixa velocidade ao longo da frente do cais, pois estas são as áreas com maior probabilidade de deposição de sedimentos.
• Estratégia de Design: O controle da escala do grupo de estacas é crítico, pois o aumento da escala expande a área perturbada e intensifica o potencial de retenção de sedimentos, mesmo que a capacidade de vazão geral permaneça amplamente inalterada.

O estudo conclui que os impactos hidrodinâmicos de tal reconstrução são fenômenos primariamente locais, necessitando de estratégias de design e manutenção direcionadas em vez de intervenções hidráulicas amplas em escala de trecho.