Avaliação dos efeitos de obstáculos no controle de correntes de turbidez

Abstract

As correntes de turbidez são o principal fenômeno de transporte de sedimentos nos ambientes marinho profundo. Ao longo do seu percurso, essas correntes passam por diversas configurações topográficas (obstáculos) que alteram o seu comportamento hidrodinâmico e deposicional. Essa interação pode ser compreendida em campo, através do monitoramento do fenômeno, ou por meio de estudos experimentais de correntes de turbidez em laboratório escoando sob condições controladas. Assim, essa pesquisa buscou avaliar experimentalmente correntes de turbidez escoando sob leitos com presença de obstáculos, visando o entendimento da interação hidrodinâmica entre o fluxo de sedimento e os seus respectivos depósitos gerados com os obstáculos. Nove simulações físicas com uma mistura de água e carvão mineral (Cvol = 5%) pobremente selecionado e cuja mediana (D50) é igual a 47 μm foram realizadas em um canal de acrílico de dimensões 4,0 x 0,49 x 0,24 metros. Três vazões de injeção foram empregadas (5, 10 e 25 L.min-1) em três configurações topográficas distintas: ensaios de controle sem obstáculos; ensaios com três obstáculos em sequência de 3 cm de altura e; ensaios com três obstáculos de 6 cm de altura. A partir destas simulações, os resultados indicam que o aumento da vazão de injeção é capaz de depositar partículas maiores em regiões distais da origem, no entanto, a presença de obstáculos alterou esta dinâmica. Quanto maior a altura dos obstáculos, maior é o bloqueio do fluxo e mais alterações nos seus perfis vertical de velocidade, na geometria e no padrão de sedimentação são verificados. Os sedimentos são barrados a montante causando o afinamento dos depósitos gerados. Entre os obstáculos, o fluxo troca de regime de escoamento, criando zonas de recirculação e também alterando o tamanho do grão ali depositado. E, após passagem sobre os mesmos, o fluxo tende a se reestabelecer a sua estrutura hidrodinâmica à condição anterior. A sedimentação dos depósitos apresentou alterações entre os segmentos antes, entre e depois dos obstáculos, sugerindo que os obstáculos funcionam na redistribuição das partículas promovendo diferenças na deposição entre estes trechos. Por último, os ensaios experimentais se mostraram ferramenta eficiente para entender essa interação do fluxo com os obstáculos topográficos, o que levaria, em sistemas naturais análogos, após sucessivas deposições nesta superfície, alterações significativas nas características do depósito gerado.

Turbidity currents are the main sediment transport phenomenon in deep marine environments. Along their course, these currents pass through several topographical configurations (obstacles) that change their hydrodynamic and depositional behavior. This interaction can be understood in the field, through the monitoring of the phenomenon, or through experimental studies of turbidity currents in the laboratory flowing under controlled conditions. Thus, this research sought to experimentally evaluate turbidity currents flowing under beds with the presence of obstacles, aiming at understanding the hydrodynamic interaction between the sediment flow and their respective deposits generated with the obstacles. Nine physical simulations with a mixture of water and mineral coal (Cvol = 5%) poorly selected and whose median (D50) is equal to 47 μm were performed in an acrylic channel of dimensions 4.0 x 0.49 x 0.24 meters. Three injection discharge were used (5, 10 and 25 L.min-1) in three different topographic configurations: control tests without obstacles; tests with three obstacles in a row, 3 cm high each; and trials with three 6 cm high obstacles. From these simulations, the results indicate that the increase in injection flow is capable of depositing larger particles in regions distal to the origin, however, the presence of obstacles altered this dynamic. The greater is the height of the obstacles, the greater is the flow blockage and more changes in their vertical velocity profiles, geometry and sedimentation pattern are verified. The sediments are dammed upstream causing the thinning of the deposits generated. Among the obstacles, the flow changes the flow regime, creating recirculation zones and also changing the size of the grain deposited there. And, after passing over them, the flow tends to regenerate its hydrodynamic structure similar to the previous condition. The sedimentation of the deposits showed alterations between the segments before, between and after the obstacles, suggesting that the obstacles work in the redistribution of particles promoting differences in the deposition between these stretches. Finally, experimental tests proved to be an efficient tool to understand this flow interaction with topographic obstacles, which would lead, in analogous natural systems, after successive depositions on this surface, to significant changes in the characteristics of the deposit generated.