Topobatimetria aplicada ao estudo hidrológico: Case do Rio Cuanhe

Introdução

O conhecimento preciso da geometria de um rio e do seu comportamento hidráulico é fundamental para projetos de pontes, estradas, barragens, drenagem e gestão de riscos de inundação. Para isso, são necessários levantamentos que integrem dados topográficos e informações do leito do rio, permitindo compreender não apenas a forma do terreno, mas também a dinâmica do escoamento.

Neste contexto, a topobatimetria com GNSS em águas rasas surge como uma metodologia eficiente, especialmente em rios de pequena e média profundidade, onde o uso de embarcações e sondas batimétricas não é viável ou necessário.

O estudo realizado no Rio Cuanhe, na província do Bié, constitui um exemplo prático da aplicação desta metodologia, combinando levantamento GNSS, perfis transversais, medições hidrométricas e modelação hidráulica para determinação da geometria e da vazão do rio.

Figura 1. - Ponte sobre o rio Cuanhe. Fonte: TOPOGIS, Lda

O que é topobatimetria com GNSS

A topobatimetria consiste na medição das coordenadas tridimensionais (X, Y, Z) de pontos situados no leito e nas margens de um curso de água.

Quando realizada com receptor GNSS em rios rasos, o operador posiciona o receptor diretamente sobre pontos no fundo do rio, permitindo determinar com elevada precisão:

• Cotas do fundo do leito

• Geometria transversal do rio

• Taludes submersos

• Largura hidráulica

• Relação entre nível da água e seção molhada

Esta metodologia permite construir modelos digitais do terreno que incluem tanto a parte emersa como a submersa.

Implantação da rede de apoio geodésico

Figura 2. - Base GPS / GNSS montado. Fonte: TOPOGIS, Lda

Antes do levantamento do leito, foi implantada uma rede geodésica de referência utilizando receptores GNSS em modo estático e RTK.

Esta rede permitiu garantir:

• Referenciamento ao sistema geodésico nacional

• Elevada precisão planimétrica e altimétrica

• Consistência entre todas as medições

Os pontos de apoio serviram como base para levantamento das seções transversais e margens do rio.

Levantamento das seções transversais do rio

Um dos elementos mais importantes do estudo foi a medição das seções transversais, que representam o perfil do rio perpendicularmente à direção do escoamento.

As seções foram levantadas medindo pontos:

• Na margem esquerda

• No talude submerso

• No fundo do rio

• No talude oposto

• Na margem direita

Esta geometria permitiu determinar parâmetros fundamentais como:

• Área molhada da seção

• Largura hidráulica

• Profundidade média

• Forma hidráulica do canal

Conforme apresentado nos perfis transversais do relatório técnico, estas seções constituem a base para os cálculos hidráulicos.

Os levantamentos topobatimétricos foram realizados de acordo com a metodologia apresentada a seguir:

Os canais a montante e a jusante de pontes foram cadastrados conformes suas dimensões. O fundo do canal cadastrado em uma extensão de 100 a 150 m da entrada e saída das OAE’s(Obras de Arte de Engenharia). Esses pontos do canal sob a ponte serão obtidos por topo-batimetria, gerando um eixo estaqueado com seções S1 até o fim do estaqueamento S’n’, conforme exemplo indicado abaixo.

Medição do nível da água

Durante o levantamento, foi registada a cota da superfície da água, que constitui o plano de referência hidráulico.

Este valor é essencial para determinar:

• Profundidade em cada ponto da seção

• Área molhada

• Energia hidráulica do escoamento

A diferença entre a cota da água e a cota do fundo define a profundidade local.

Figura 3. - Perfis transversais do leito do rio. Fonte: TOPOGIS, Lda

Determinação e levantamento da área molhada da seção

Figura 4. - Levantamento das marges do rio. Fonte: TOPOGIS, Lda

Com base nos pontos medidos, foi calculada a área da seção molhada.

A área molhada representa a superfície pela qual a água escoa e é um dos principais parâmetros para cálculo da vazão.

Este cálculo foi realizado utilizando:

• Perfis transversais processados no Civil 3D

• Modelação hidráulica no Autodesk River and Flood Analysis

Medição da velocidade da água

Para a medição de velocidade foi utilizado a metodologia de flutuadores (ideal para cursos de água retos, uniformes sem vegetação e com escoamento lento) que consiste em determinar a velocidade de deslocamento de um objeto flutuante, medindo o tempo utilizado para o seu deslocamento num determinado trecho de rio de comprimento conhecido (SANTOS et al., 2001) Bonifácio & Freire (2013) e Silva (2016).

Neste método, podemos usar como flutuador uma garrafa fechada com água em 1/3 do seu volume, um pedaço de madeira, etc.

Escolhe-se um trecho reto do curso d’água cujo leito seja uniforme, sem vegetação e onde a água flua serenamente.

Mede-se o comprimento do trecho, que se possível, deve ser superior a 07 metros, marcando-se o seu início e o seu fim, o que pode ser feito com duas cordas amarradas em estacas cravadas nas margens e em posição perpendicular ao eixo do córrego.

Em seguida coloca-se a alguns metros a montante do início do trecho escolhido, o flutuador. O flutuador deve ser colocado em posições diferentes, no meio e afastado do meio tanto para direita como para esquerda, porém não muito próximo das margens.

Com um cronômetro determina-se o tempo que a flutuador gasta para percorrer o trecho. O tempo deve ser em segundos e deve-se tomar pelo menos 6 tomadas de tempo e tirar a média.

As áreas das seções transversais limitadas pelos níveis d’água e o fundo do córrego (secções do levantamento topobatimetrico) devem ser determinadas no mínimo para os pontos inicial e final do trecho de medição.

Figura 5. - Medição de velocidade do rio com garrafa PET. Fonte: TOPOGIS, Lda

Cálculo da vazão do rio

A vazão é determinada pela equação fundamental da hidrologia:

Q = A × V

Onde:

• Q = vazão (m³/s)

• A = área molhada da seção (m²)

• V = velocidade média da água (m/s)

Este cálculo permite determinar o volume de água que passa por uma seção do rio por unidade de tempo.

A vazão é um dos parâmetros mais importantes para:

• Dimensionamento de pontes

• Estudos de inundação

• Projetos hidráulicos

• Infraestruturas rodoviárias

  
  

Modelação hidráulica com Autodesk River and Flood Analysis

Os dados obtidos em campo foram utilizados no software Autodesk River and Flood Analysis, que permitiu:

• Modelar o comportamento hidráulico do rio

• Simular níveis de cheia

• Identificar áreas potencialmente inundáveis

• Avaliar a capacidade hidráulica da seção

Esta modelação é essencial para projetos de engenharia civil.

Integração com Autodesk Civil 3D

Após os cálculos hidráulicos, os dados foram integrados no Autodesk Civil 3D para produção de peças técnicas, incluindo:

• Perfis transversais

• Perfis longitudinais

• Modelos digitais do terreno

• Plantas topográficas

Estes elementos são fundamentais para projeto e análise de infraestruturas.

Levantamento da ponte com drone e pontos de controlo

Figura 6. - Levantamento aerofotogramétrico. fonte: TOPOGIS, Lda

Foram levantados todos os dados da ponte como comprimento, largura e espessura da viga, locação, altura e espessura dos pilare. Também foi obtido os dados do canal sob a ponte obendo todas as dimensões, como base, altura real, altura do nível de água(NA) com data do levantamento.

Figura 7. Dados da ponte. Fonte: TOPOGIS, Lda

O levantamento da ponte foi realizado utilizando receptor GNSS e em pontos de difícil acesso como bem no canal onde a corrente era alta no dia das medições, usamos drone com pontos de controlo no solo (GCPs) em voo circular, além do levantamento aerofotogramétrico com plano de voo em polígono para geração de ortofotocarta da zona que permitiu também obtenção de dados planialtimétricos da ponte.

Este método permitiu:

• Obter modelo tridimensional da estrutura

• Integrar ponte e rio no mesmo sistema geodésico

• Garantir precisão geométrica

  
  

Identificação de áreas inundáveis

Com base nos dados geométricos e hidráulicos, foi possível identificar áreas com potencial de inundação.

Estas áreas foram representadas em:

• Perfis transversais

• Modelos digitais

• Plantas técnicas

Esta informação é fundamental para planeamento territorial e engenharia.

Vantagens da topobatimetria com GNSS

Esta metodologia apresenta várias vantagens:

Alta precisão; baixo custo operacional, aplicável em rios rasos, rapidez de execução; integração com SIG e software de engenharia; permite cálculo preciso da vazão.

Aplicações práticas

A topobatimetria com GNSS é essencial em projetos como:

Dimensionamento de pontes;

Projetos rodoviários;

Barragens;

Estudos de inundação;

Planeamento territorial;

Gestão de recursos hídricos.

Conclusão

O levantamento topobatimétrico do Rio Cuanhe demonstra como a integração entre GNSS, perfis transversais, medições hidrométricas e modelação hidráulica permite compreender com precisão o comportamento de um curso de água.

A determinação da geometria do leito, da área molhada e da vazão fornece dados fundamentais para o dimensionamento seguro de infraestruturas e para a gestão eficiente dos recursos hídricos.

Com o apoio de tecnologias modernas como GNSS, drones e software especializado como Autodesk Civil 3D e River and Flood Analysis, é possível produzir modelos hidráulicos confiáveis, reduzindo riscos e garantindo maior segurança nos projetos de engenharia.

Por: Rosário Dilo - CEO TOPOGIS, Lda I Consultor

Engº Geógrafo I Pós graduado em Ciência de Dados I Mestrando em Infraestruturas e Engª Civil.