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INSTITUTO NACIONAL DE PESQUISAS DA AMAZÔNIA - INPA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DO AMAZONAS - UEA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CLIMA E AMBIENTE – CLIAMB
MÉTODOS DE AMOSTRAGENS DE SEDIMENTOS EM SUSPENSÃO NO RIO
SOLIMÕES: ESTUDO DE CASO NA ESTAÇÃO DE MANACAPURU
FRANCISCA PAULIANE RIBEIRO SAMPAIO
Manaus, Amazonas
Outubro, 2016
II
FRANCISCA PAULIANE RIBEIRO SAMPAIO
MÉTODOS DE AMOSTRAGENS DE SEDIMENTOS EM SUSPENSÃO NO RIO
SOLIMÕES: ESTUDO DE CASO NA ESTAÇÃO DE MANACAPURU
Orientador: Naziano Pantoja Filizola Jr., Phd.
Co-orientadora: Elisa Natalia Armijos
Fonte Financiadora: FAPEAM
Manaus, Amazonas
Outubro, 2016
Dissertação apresentada ao
Instituto Nacional de Pesquisas da
Amazônia como parte dos requisitos
para a obtenção do título de Mestre em
Clima e ambiente, do convênio
INPA/UEA.
III
BANCA AVALIADORA
Professores Doutores Instituição de vínculo Conceito
Naziano Pantoja Filizola Jr. UFAM Aprovado
Henrique Llacer Roig UNB Aprovado
Jean-Michel Martinez UNB e IRD Aprovado
Data da defesa: 11 de Novembro de 2016
IV
Sinopse:
Estudou-se as metodologias utilizadas na amostragem de
sedimentos na Amazônia, fazendo comparação através de
analises de incertezas dos métodos Pontual e Integrado, com
amostras coletadas na estação de Manacapuru, Amazonas.
Palavras-chave: Sedimentos, Amazônia, Amostragens.
S192 Sampaio, Francisca Pauliane Ribeiro
Métodos de amostragens de sedimentos em suspensão no Rio
Solimões: Estudo de caso na estação de Manacapuru / Francisca
Pauliane Ribeiro Sampaio. Manaus: [s.n.], 2017. 53 f.: il.
Dissertação (Mestrado) INPA, Manaus, 2017.
Orientador: Naziano Pantoja Filizola Jr.
Coorientadora: Elisa Natalia Armijos.
Área de concentração: Clima e ambiente.
1. Amostragem de sedimentos. 2. Método Pontual. 3. Método
Integrado. I. Título.
CDD 551.483
V
AGRADECIMENTOS
Acredito fielmente que iniciar é bem mais difícil do que concluir. O início da
caminhada, o primeiro passo, as primeiras palavras transcritas. O caminho é longo, porém,
acompanhado das pessoas certas, as distâncias tornam-se imperceptíveis.
Meus agradecimentos, destinam-se inicialmente ao Programa de pós-graduação em
Clima e Ambiente, que através do financiamento recebido pela Fundação de Amparo à
Pesquisa do Amazonas (FAPEAM) me possibilitou o desenvolvimento desta pesquisa.
Agradeço às instituições que apoiaram esta pesquisa, através da disponibilidade
recursos humanos e financeiros: Agência Nacional de Águas (ANA) em especial aos Srs.
Walszon Terllizzie Eurides de Oliveira e Fabricio Alves; Serviço Geológico do Brasil
(CPRM) através dos engenheiros André Martinelli e Luna Gripe, assim como ao
Superintendente Marco Oliveira; ao IRD através do Observatório SO-HYBAM, pela pessoa
do pesquisador Pascal Fraizy, e do Dr. Jean Michel Martinez (coordenador HYBAM no
Brasil); e à Universidade Federal do Amazonas (UFAM) através do Grupo de Pesquisa
Hidrossistemas e o Homem na Amazônia (H2A).
Agradeço com enorme gratidão, ao professor Naziano Filizola pela orientação que se
estende desde a iniciação científica. Foram anos de aprendizado que eu levarei para a vida
toda.
À minha co-orientadora Elisa Armijos, pela orientação que sem sombras de dúvidas
extrapolam os limites acadêmicos, a quem posso chamar de amiga.
Aos companheiros de pesquisa, das salas de aula, e laboratórios. Em especial Lorena,
Diego, Amarílis, Bruna, Luciana, Paula, Robson, Janaína, Delano e muito outros que
merecem meu agradecimento.
À minhas amigas Fernanda e Elisângela, que nunca deixaram a amizade se perder,
mesmo com todas as dificuldades e correrias do dia a dia, eis aqui um Ciclo sem fim.
Ao meu esposo Rodrigo e minha filha Cecíle, que são meus maiores bens já alcançados
nesta vida. Paciência, amor e sabedoria sempre.
Finalmente, agradeço à minha mãe Verônica Sampaio, que mesmo de longe, sempre
esteve por perto, auxiliando em todos os momentos de angustia e felicidade, assim como
meus irmãos Emanuela e Carlos Patrick.
VI
RESUMO
A bacia hidrográfica Amazônica é uma importante fonte de sedimentos para o Oceano
Atlântico, sendo produzidos em sua maioria pela cordilheira dos Andes, e pelos processos
locais de erosão e ressuspensão, cumprindo um importante papel na riqueza e biodiversidade
aquática da região. Nesse sentindo, a quantificação da Concentração dos Sedimentos em
Suspensão (CSS) é o ponto de partida para qualquer análise que envolva a temática. Na
Amazônia, as metodologias de medição utilizados atualmente são o Pontual e o Integrado, no
entanto, observou-se que dados divulgados por instituições de pesquisa da região se
mostraram incoerentes, apresentando diferenças significativas em amostragens realizadas na
mesma estação, motivando-nos a compreender qual das duas metodologias é mais viável para
a obtenção da CSS. Objetivou-se, portanto, comparar tais metodologias através das análises
de incertezas, enfocando-se nas principais fontes de contribuição, a citar: amostragem,
filtração e laboratório. As amostragens foram realizadas na estação de Manacapuru (rio
Solimões), resultando em uma incerteza padrão combinada de 15% para o método Pontual, e
9% para o método Integrado, sendo a Amostragem a principal fonte de contribuição em
ambos os métodos. A concentração média da seção obtida com o Pontual foi 29% maior em
relação ao Integrador, porém, observando-se as concentrações por verticais essa diferença é
ainda maior, chegando à 51%. Observou-se ainda, que o método Integrado apresentou um
erro de 64%, que é consequência da não ingestão de areias durante a amostragem, sendo
reafirmado pela ausência de partículas de areias durante os testes granulométricos. Conclui-se,
que o método Pontual é o mais adaptado para a Amazônia, levando-se em consideração todas
as condições ambientais, de logística operacional, e de qualidade amostral, o qual induz à uma
amostragem mais fidedigna de rios de grande porte como o Solimões-Amazonas
Palavras-chave: Amostragem de sedimentos, Método Pontual, Método Integrado, Amazônia.
VII
ABSTRACT
The Amazon basin is an important source of sediments to the Atlantic Ocean, most of
this are produced by the Andes mountains, as well as by the local processes of erosion and
resuspension. Sediments play an important role in the aquatic richness and biodiversity of the
region. In this regard, the starting point for analysis that involves the theme, require the
quantification of the Suspended Sediment Concentration (SSC, dry weight of sediment from a
known volume of water-sediment mixture, mg l-1). In the Amazon, the Point and Integrated
methods are methodologies currently used, however, the data published are inconsistent,
presenting significant differences in sampling at the same station. We asked: Which of twice
methodologies is more feasible to obtain SCC. We compared these methodologies through the
analysis of uncertainties, we focused on the main sources of contribution: sampling, filtration
and laboratory. Samples were achieved at the Manacapuru station (Solimões River), resulting
in a combined standard uncertainty of 15% for the Point method and 9% for the Integrated
method, with sampling being the main source of contribution in both methods. The average
concentration of the section obtained with Point method was 29% higher in relation to the
Integrated method, nevertheless, observing the concentrations by verticals this difference is
greater, reaching 51%. We observed that the Integrated method presented a 64% error,
consequence of no sampling sand during the take the samples, being reaffirmed by the
absence of sand particles during the granulometric tests. Considering all environmental
conditions, operational logistics, and sample quality, we concluded that the Point method is
the most adapted to quantification of sediments in larges rivers in the Amazonas region such
as Solimões and Amazonas rivers.
Keywords: Sediment sampling, Point Method, Integrated Method, Amazon.
VIII
SUMÁRIO
1 Introdução ........................................................................................................................ 11
2 Fundamentação Teórica ................................................................................................. 15
2.1 Amostragens sedimentométricas ................................................................................ 15
2.1.1 Método por Integração........................................................................................ 15
2.1.2 Método Pontual instantâneo ............................................................................... 19
2.1.3 Condições para obtenção da descarga sólida ...................................................... 19
2.2 Análise estatística dos dados: avaliação das incertezas .............................................. 20
3 Materiais e Métodos ........................................................................................................ 26
3.1 Área de estudo ............................................................................................................ 26
3.2 Abordagem metodológica .......................................................................................... 27
3.2.1 Protocolos a comparar ........................................................................................ 29
I. Método por Integração........................................................................................ 29
II. Método Pontual Instantâneo ............................................................................... 31
3.3 Análises estatística dos dados..................................................................................... 33
4 Resultados ........................................................................................................................ 35
4.1 Avaliação de sedimentos na seção ............................................................................. 35
4.2 Avaliação de incertezas dos métodos de amostragem ................................................ 37
5 Discussão .......................................................................................................................... 39
6 Conclusão ......................................................................................................................... 44
7 Bibliografia ....................................................................................................................... 46
APÊNDICE A ......................................................................................................................... 50
APÊNDICE B .......................................................................................................................... 51
APÊNDICE C ......................................................................................................................... 52
APÊNDICE D ......................................................................................................................... 53
IX
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Comparação das CSS obtidas com os dois métodos. Dados oficiais das instituições
de pesquisa. ........................................................................................................................................ 13
Figura 2 – Modelos de amostradores aceitáveis para amostragem na Amazônia. ............................ 15
Figura 3 – Integrador do tipo saca, modelo nacional AMS-8 ........................................................... 16
Figura 4 - Tempo necessário para a coleta de 1 litro de amostra para dada velocidade da
corrente.. ............................................................................................................................................ 17
Figura 5 – Histogramas de distribuição normal, com valor médio igual a 10,0 e diferentes
variâncias Fonte: (Lima Junior, 2012). .............................................................................................. 23
Figura 6 – Distribuição de probabilidade Retangular ........................................................................ 23
Figura 7 – Distribuição de probabilidade Triangular. ....................................................................... 23
Figura 8 - Localização da seção de medição de Manacapuru ........................................................... 26
Figura 9 – Perfil transversal da seção de Manacapuru, dia: 21/03/2015 as 18:00 horas. .................. 27
Figura 10 – Velocidades da seção transversal, em 26/04/2016.. ....................................................... 28
Figura 11 – Procedimento para coleta de sedimentos em suspensão utilizando Integrador de
saca. ................................................................................................................................................... 29
Figura 12 – Rampa de cadinhos de Gooch, aparato utilizado para filtração. .................................... 29
Figura 13 - Esquema do procedimento de Filtração com uso de Cadinho de Gooch. ...................... 30
Figura 14 - Amostrador, peneiramento do material grosseiro e filtração ......................................... 31
Figura 15 – Procedimento para coleta de sedimentos em suspensão com Pontual horizontal. ......... 31
Figura 16 – Procedimento de filtração com a utilização de rampa horizontal. ................................. 32
Figura 17 - Diagrama da metodologia adotada durante a pesquisa. .................................................. 33
Figura 18 – Diagrama de causa-efeito das fontes de incertezas dos métodos de medição da
CSS .................................................................................................................................................... 33
Figura 19 – Perfil transversal da seção de Manacapuru e distribuição das amostras coletadas ........ 35
Figura 20 – Vazão sólida (QS) das verticais amostradas e Vazão líquida (Q). ................................. 36
Figura 21 – Incertezas totais dos métodos de amostragens. .............................................................. 38
Figura 22 – Granulometria das amostras.. ......................................................................................... 41
Figura 23 – Comparação da concentração de sedimentos em suspensão (CSS) obtida com os
dois métodos. As CSS do método Pontual foram ponderadas pela vazão líquida das verticais. ...... 39
Figura 24 - Concentração de sedimentos nas verticais amostradas Pontualmente ............................ 40
Figura 25 – Síntese das incertezas dos métodos Pontual e Integrador. ............................................. 44
X
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Valor do fator de abrangência k, para uma distribuição normal ..................................... 25
Tabela 2 - Atividades de campo realizadas para coletas de dados. .................................................. 27
Tabela 3 - Descrição metodológica das avaliações de incertezas. .................................................... 34
Tabela 4 – Informações gerais da amostragem com o método Pontual. ........................................... 35
Tabela 5 – Informações gerais da amostragem com o método Integrado ......................................... 36
Tabela 6 – Tabela resumo de cálculos das incertezas da CSS .......................................................... 37
Tabela 7 – Testes do tempo de decantação das amostras. ................................................................. 38
Tabela 8 – Qs de Manacapuru e determinação do erro de amostragem das areias. .......................... 40
Tabela 9 – Tempo gasto na amostragem e filtração .......................................................................... 43
11
1 INTRODUÇÃO
Partículas derivadas da fragmentação de rochas por processos físicos, químicos e biológicos,
que podem ser transportadas por diversos agentes, em especial o ar e a água, são definidos como
sedimentos, onde a sedimentologia é a ciência que estuda os depósitos sedimentares e suas origens
(Suguio, 2003). No leito fluvial o transporte pode ocorrer em suspensão e por arraste, ou ainda por
saltito. Na bacia Amazônica, que drena uma superfície de 5.961.000km2 (Callède, et al., 2010), as
partículas são originárias principalmente da erosão ocorrida na cordilheira dos Andes, e percorrem
áreas de países como Peru, Bolívia, Colômbia, Equador, Venezuela, Guiana, além do Brasil
(Filizola e Guyot, 2007).
Diversos fatores intensificam o desprendimento das partículas, e estão ligados à temperatura,
à intensidade de chuvas e ao escoamento superficial, que influenciam na desagregação dos solos e
na cobertura vegetal (Suguio, 2003). Portanto, a precipitação intensifica a erosão, e o escoamento
realiza o transporte do material (Laguionie, 2006; Czuba, et al., 2011). Os processos de erosão, de
transporte e de sedimentação são sensíveis às mudanças climáticas globais (Aalto, et al., 2003).
Os sedimentos, estão presentes nos processos que modulam a geomorfologia dos canais
fluviais (Constantine, et al., 2014), modificam ecossistemas aquáticos (Pouilly, et al., 2014), e
influenciarem nas diversas ações antrópicas, especialmente obras de engenharia (Tundisi, 2007).
Paradoxalmente, os sedimentos são benéficos e maléficos aos ecossistemas e à sociedade, pois
carregam os nutrientes e poluentes rumo à planície fluvial, até atingir o oceano (Czuba, 2011).
São um importante recurso para a manutenção das praias, deltas e outros habitats costeiros
que sustentam ecossistemas, vegetação, animais e pessoas. Por outro lado, sedimentos em excesso
provocam stress sobre uma variedade de espécies e habitats, e uma vez que contaminantes estejam
neles presentes, podem ser ingeridos por peixes e demais seres vivos tornando-se tóxicos para o
consumo humano. Portanto, quantificar o fluxo de sedimentos em um curso d’água, bem como
determinar sua dinâmica (processos de erosão, transporte ou sedimentação) através desses dados é
tarefa importante para caracterizar bem um ambiente fluvial.
Atualmente, com os avanços tecnológicos em agrimensura, sensoriamento remoto e
fotometria, é possível obter informações com melhor resolução espaço-temporal sobre os processos
erosivos de uma bacia. No entanto, Collins e Walling (2004) enfatizam que tais avanços são
dependentes dos dados coletados localmente, pois servem para dar validade aos modelos já
desenvolvidos. Também destacam ainda, que a obtenção dos dados de Concentração dos
Sedimentos em Suspensão (CSS) transportados pelos rios são altamente problemáticos, primeiro
pela dificuldade de monitoramento que por vezes não é representativo para uma bacia de grande
escala, e segundo pelas técnicas de amostragens utilizadas.
12
O levantamento de dados de CSS envolve um custo operacional bastante elevado, pois, faz-se
necessário realizar amostragens no canal dos rios, para posterior análises em laboratório, assim
como adotar algumas metodologias de cálculo. Além disso, são necessários técnicos devidamente
treinados, capazes de desenvolverem as atividades corretamente, tanto em campo, quanto em
laboratório.
Assim, o presente estudo se detém sobre o tema da determinação da concentração de
sedimentos em suspensão ou CSS e de forma mais detalhada nas técnicas e equipamentos de
amostragem com o intuito de avaliar os procedimentos mais adequados à realidade Amazônica.
As técnicas e equipamentos de amostragem de CSS são os mais diversos, e seu uso depende
das características de cada rio ou bacia, assim como da necessidade de informação que se deseja
obter. A literatura disponível aponta que as metodologias consagradas de amostragem (Integração e
Pontual) são adequadas aos grandes rios, porém, são escassas as avaliações que permitam um
entendimento mais profundo dos prós e contras, de forma a gerar informações concisas que possam
ser utilizadas em um programa de monitoramento regular, fazendo uso de um protocolo padrão.
O método por integração, pode ser executado com amostradores ditos Integradores, dos quais
vários modelos existem. Dentre eles merece destaque, face à capacidade de trabalho em rios e
grande porte, o modelo de saca, que realiza a amostragem por acumulação contínua da água com
sedimento, movendo-se verticalmente, com velocidade constante, entre a superfície e o leito. Este
modelo já foi utilizado na amostragem de rios como Mississipi (Moody e Meade, 1994), Orinoco
(Nordin, et al., 1983) e também no rio Amazonas (Nordin, et al., 1983), (Meade, 1985) e (Richey, et
al., 1986), este último, no escopo dos projetos ALPHA-HELIX e CAMREX (Carbon in the Amazon
River Experiment).
O método Pontual instantâneo, pode ser executado com um amostrador do tipo cilindro
horizontal, no qual é mantido um maior controle no momento da manipulação, devido ao sistema de
funcionamento que, se fecha no ponto desejado (Guyot, et al., 1996), permitindo a obtenção de um
gradiente vertical da CSS (Filizola e Guyot, 2004). Esse modelo vem sendo utilizado amplamente
pelo observatório SO-HYBAM (Serviço de Observação - Hidrologia e Geoquímica da Bacia
Amazônica) desde de 1995, possibilitando a obtenção de uma base de dados concisa sobre os
principais rios da bacia, servindo de suporte para diversos trabalhos, tais como: Filizola e Guyot,
(2011); Armijos, et al., (2013); Espinoza, et al., (2013), dentre outros. Existem também, amostras
pontuais coletadas com amostrador isocinético com solenoide, pela United States Geological Survey
(USGS) e pelo corpo de engenheiros dos Estados Unidos da América (USA) no rio Mississipi.
Vale ressaltar que ambos os métodos envolvem técnicas de filtração, no entanto, um leva em
consideração a decantação da amostra coletada para posterior filtração em cadinho de gooch
(Integração), enquanto que o outro faz uso da filtração da amostra devidamente homogeneizada em
13
rampa horizontal (Pontual). Todas as amostras foram tratadas no Laboratório de
Hidrossedimentologia do Serviço Geológico do Brasil (CPRM), seguindo os protocolos adotados
pela Agência Nacional de águas (ANA) e pelo SO-HYBAM.
Observando a Figura 1, que é resultado da comparação feita com os dados de CSS da Estação
de Manacapuru, obtidos por duas renomadas instituições de pesquisa (ANA e SO-HYBAM), pôde-
se perceber as diferenças existentes entre os métodos, de forma que, a CSS obtida com pela ANA
foi através do método Integrado, e pelo SO-HYBAM utilizou-se do método Pontual. Elencou-se os
anos onde as CSS foram obtidas em amostragens de datas aproximadas, e que apresentavam vazões
semelhantes.
Figura 1 – Comparação das CSS obtidas com o método Integrado (Site da ANA: http://www.snirh.gov.br/hidroweb/)
e com o método Pontual (site do SO-HYBAM: http://www.ore-HYBAM.org/).
Esses são os métodos utilizados na Amazônia, no entanto, quando são comparados dados de
concentrações da Estação de Manacapuru observa-se grandes diferenças em diversos períodos do
ano. Os métodos apresentam resultados destoantes, onde, em termos gerais, o Pontual resulta em
maiores CSS. Em fevereiro de 2011, por exemplo, as amostragens que ocorreram no mesmo dia
resultaram em CSS 50% maior com o Pontual, sendo essa diferença ainda mais expressivas em
2012, em um período de pico de sedimentos (Filizola e Guyot, 2011).
Uma comparação entre as descargas sólidas obtidas através desses dois equipamentos de
amostragem já foi realizada por Filizola e Guyot (2004) na estação de Óbidos, e identificaram uma
diferença de ≈ 4% entre os amostradores. No entanto, não realizaram as análises de incertezas, não
levando em consideração as repetitividades amostrais, sendo essa a principal contribuição deste
estudo, focalizadas na concentração dos sedimentos e não na descarga sólida.
Tal incoerência nos dados indica que existe uma disparidade que pode estar relacionada com
as metodologias utilizadas para a coleta e filtração desses sedimentos, e é nessa inquietude que a
presente pesquisa trouxe como proposta prática, a avaliação das incertezas de ambos os métodos,
0
150
300
450
600
mai/98 nov/99 nov/01 fev/02 jun/02 jun/10 fev/11 dez/11 mar/12
CS
S (
mg/l
)
CSS de Manacapuru (rio Solimões)
Pontual Integrador
14
afim de identificar as condições mais favoráveis para o estudo da dinâmica sedimentar em grandes
rios.
Desta forma a pesquisa teve como objetivos:
Geral: Realizar a comparação das metodologias de amostragem de sedimentos em suspensão
(Integração e Pontual) e de filtração das amostras (Cadinho de Gooch e Rampa horizontal),
utilizadas para a determinação da concentração de sedimentos em suspensão.
Específicos:
Determinar as possíveis incertezas referentes a cada protocolo;
Destacar as vantagens e desvantagens dos diferentes métodos face aos desafios do
monitoramento do tema nos rios Amazônicos.
Possibilitou ainda, avaliar as necessidades de cada método, tais como: i) tempo necessário
para a realização das coletas; ii) quantidade necessária de pessoal treinado; e iii) logística operativa
envolvida, etc.
15
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
2.1 Amostragens sedimentométricas
A medida da descarga em suspensão continua sendo a fase predominante das investigações
sedimentométricas. O guia padrão para amostragem de sedimentos, (ASTM, D4411-03, 2014),
assim como Edwards e Glysson (1999), estabelecem que a escolha dos equipamentos depende do
objetivo da amostragem, assim como das características físicas e hidráulicas do local, tais como as
condições de fluxo e da granulometria do sedimento que está sendo transportado. Estas condições
podem ser generalizadas para quatro tipos de situações:
1º - Velocidade baixas (v < 0,60 m s-1) com pouca ou nenhuma partícula de areia.
2º - Velocidade altas (0,60 < v < 3,70 m s-1) e profundidades menores do que 4,60 m.
3º - Velocidades altas (0,60 < v < 3,70 m s-1) e profundidades maiores do que 4,60 m.
4º - Velocidades muito altas (v > 3,70 m s-1).
A Amazônia se enquadra no 3º tipo, por apresentar velocidades altas (0,60 < v < 3,70 m s-1) e
profundidades maiores do que 4,60 m. Nessas condições, somente é possível realizar amostragens
com Integradores de saca compressíveis e/ou amostradores Pontuais (Edwards e Glysson, 1999;
Diplas et al., 2008). Á exemplos, tem-se os modelos de Integradores US D-96, US D-99, AMS-08 e
Pontual Callède, apresentados na Figura 2. Utiliza-se na Amazônia o Integrador de saca AMS-08 e
o Pontual instantâneo modelo Callède, que serão detalhados a seguir.
Figura 2 – Modelos de amostradores aceitáveis para amostragem na Amazônia.
2.1.1 Método por Integração
Procedimentos de amostragem em campo
O método por integração é definido como a coleta da mistura de água-sedimentos acumulada
continuamente em um amostrador, que se move verticalmente em uma velocidade de trânsito
praticamente constante, entre a superfície e um ponto a poucos centímetros acima do leito, entrando
a mistura numa velocidade quase igual à velocidade instantânea da corrente em cada ponto na
vertical, através de um bico de admissão graduado (ASTM, D4411-03, 2014).
O Integrador de saca vem sendo utilizado desde a década de 1970 (Stevens et al., 1980) tendo
sido amplamente testado no Rio Orinoco em oito estações que mostraram a aplicabilidade desse
tipo de equipamento para maiores profundidades (Nordin et al., 1983). Nos rios
US D-96 US D-99 AMS-08 Callède
16
Solimões/Amazonas foram realizadas medições nos anos de 1982-1984 (Meade et al. 1985), as
quais, foram sintetizadas através do projeto CAMREX por Richey et al., (1986).
São diversos os Integradores de saca já desenvolvidos. O modelo brasileiro, o AMS-8 (Figura
3) sofreu modificações, que consistem na utilização de sacas de plástico especialmente
desenvolvidas para esta finalidade, enquanto que, a versão Americana foi planejada para o uso de
sacas comuns, desde que sejam fortes para suportar o peso da água.
Figura 3 – Integrador do tipo saca, modelo nacional AMS-8
O AMS-8 tem capacidade aproximada de 5 litros. É composto por um recipiente de alumínio
perfurado no fundo, para circulação livre da água, de uma armação de ferro com cabeçote semi-
esférico de alumínio, bicos de admissão de 1/8”, 3/16” e 1/4”, de leme hidrodinâmico, haste de
sustentação do instrumento e do lastro, e de um saco plástico posicionado no interior do recipiente
de alumínio perfurado.
O bico de admissão de água do dispositivo de amostragem deve ser isocinético, ou seja, a
velocidade na entrada do injetor deve ser igual ou muito próxima da velocidade ambiente (Yang,
2003), para que isso aconteça é, necessário que o bico fique na horizontal, isto é, o amostrador deve
se movimentar sem haver inclinação (Carvalho et al., 2000).
A escolha correta do bico deve ser feita de acordo com seu diâmetro e a velocidade da
corrente. Para isso, estudos em laboratório concluíram que os bicos apresentam diferentes
constantes de proporcionalidade, conforme equações 1 e 2:
Bico de 1/8”: vt = 0,2*vm (1)
Bicos de 3/16” e ¼”: vt = 0,4*vm (2)
sendo que:
vt - velocidade máxima de trânsito ou de percurso do amostrador (m s-1); e
vm - velocidade média da corrente na vertical de amostragem (m s-1)
17
Primeiramente, calcula-se o tempo mínimo (tmin) para realizar a amostragem, sendo este,
inversamente proporcional à velocidade de trânsito do amostrador, equação (3):
tmin = 2∗𝑝
𝑣𝑡 (3)
sendo que:
tmin - tempo mínimo para amostragem (s);
p - profundidade amostrada (m);
2 - multiplicador referente à distância percorrida na descida e subida do amostrador;
vt - velocidade máxima de trânsito ou de percurso do amostrador (m s-1).
Substituindo a equação (3), e considerando uma profundidade de 10 m, para encontrar o
tempo mínimo necessário de uma amostragem, teremos:
Bico de 1/8”: tmin = 2∗𝑝
𝑣𝑡=
2∗10 𝑚
0,2∗2 𝑚 𝑠−¹ ; tmin = 50 segundos
Bicos de 3/16” e ¼”: tmin = 2∗𝑝
𝑣𝑡=
2∗10 𝑚
0,4∗2 𝑚 𝑠−¹ ; tmin = 25 segundos
sendo que:
tmin - tempo mínimo para amostragem (s);
p - profundidade amostrada (m);
2 - multiplicador referente à distância percorrida na descida e subida do amostrador;
vt - velocidade máxima de trânsito ou de percurso do amostrador (m s-1).
0,2 e 0,4 - constantes de proporcionalidade
Através da Figura 4, verifica-se que, para a velocidade de 2 m s-1, o bico de 1/8” coleta 1 litro
a cada 62 segundos, sendo que em 50 segundos coletará 0,8 litros; o bico de 1/4" coleta 1 litro a
cada 16 segundos, logo em 25 segundos coletará 1,6 litros. O bico de 3/16” coleta 1 litro a cada 28
segundos, logo em 25 segundos coletará 1,1 litros (Carvalho N. O., 2008).
Figura 4 - Tempo necessário para a coleta de 1 litro de amostra para dada velocidade da corrente. Fonte: Nordin
(1981), adaptado por Carvalho (2008).
18
Dessa forma, a escolha do bico está relacionada à quantidade de amostra necessária, assim
como à profundidade da vertical a ser amostrada. A maneira de avaliar se a amostragem foi
isocinética, é através do cálculo de Eficiência de entrada (EI) de água no amostrador, que é definida
pela razão entre a velocidade de entrada da amostra (Ve) pela velocidade da corrente (V), ambas
dadas em m s-1 (4).
EI = 𝑉𝑒
𝑉 (4)
Onde, a velocidade de entrada é obtida através da razão entre o volume amostrado (Vol) e o
tempo de amostragem (t). Assim sendo, EI é encontrada pela equação 5.
EI = K × 𝑉𝑜𝑙
𝑡⁄
𝑉 (5)
sendo que:
EI - Eficiência Isocinética;
K - Coeficiente de conversão referente ao diâmetro de cada bico (1/8 pol. K = 0,20; 3/16 e 1/4 pol. K = 0,40)
vol - volume amostrado na vertical, em ml;
t - tempo total usado na amostragem, em segundos;
V - velocidade da corrente de água na vertical amostrada, em m s-1;
O desempenho isocinético do amostrador influencia diretamente na CSS obtida (U.S.
Geological Survey., 2013), desta forma:
Fluxo de entrada da amostra sem aceleração gera EI <1, sub-eficiente - CSS alta
Fluxo de entrada da amostra com aceleração gera EI > 1, super-eficiente - CSS baixa
Portanto, quanto menor a eficiência, maior será a quantidade de sedimentos que entra no
Integrador, gerando assim uma superestimação da concentração (Sabol e Topping, 2012).
Eficiências entre 0.75<EI<1.25 são os limites aceitáveis em uma amostragem, gerando um erro de
+10% na concentração (U.S. Geological Survey., 2013).
Procedimentos de análise laboratorial – Filtração em cadinho de Gooch
A filtração é um tipo de análise utilizado para determinar a concentração total de determinada
amostras, no qual, o material sedimentado fica retido no filtro da unidade filtrante, passando a água
e os sais dissolvidos (Carvalho N. O., 2008). O cadinho de Gooch é um dos instrumentos utilizados
para esta atividade, sendo indicado para uso no protocolo laboratorial estabelecido pelo Laboratório
de Análises Minerais (LAMIN) da CPRM.
19
2.1.2 Método Pontual instantâneo
Procedimentos de amostragem em campo
Este método é caracterizado pela coleta instantânea de amostras segmentadas em toda a seção,
através de pontos dispersos na vertical, de forma que se obtenha representações desde o fundo até a
superfície. O número de pontos amostrados pode variar de acordo com a profundidade do rio e o
tamanho da partícula em suspensão. É comum a amostragem em cinco pontos numa mesma
vertical, isto é, nas profundidades relativas: 0, 0,2, 0,6, 0,8 e 1,0 (Yang, 2003), sendo 3 o número
mínimo de verticais utilizadas por seção (a 25%, 50% e 75% da largura total da seção).
O modelo utilizado no Brasil pela equipe SO-HYBAM (www.ore-hybam.org) e também no
presente estudo (Figura 2), foi batizado com o nome de Callède em homenagem a seu projetista e
idealizador. O amostrador apresenta formato hidrodinâmico exercendo pouco cisalhamento local e
tem capacidade para coletar aproximadamente 5 litros de água. (Guyot, et al., 1996).
Procedimentos de análise laboratorial – Filtração em rampa horizontal
Em laboratório, segue-se o procedimento das normas ASTM da rede GEMS/Water (2004) do
Programa das Nações Unidas para o Meio Ambiente (PNUMA), que determinam os passos à serem
seguidos para a filtração das amostras em rampa horizontal.
2.1.3 Condições para obtenção da descarga sólida
Para a determinação da descarga sólida são aplicados métodos indiretos, caracterizados pela
coleta de sedimento por amostragem da mistura água-sedimento, análise de concentração e cálculos
posteriores da descarga sólida. Em geral, as amostragens são feitas levando em consideração dois
métodos que são: Igual Incremento de Largura (IIL) e Igual Incremento de Descarga (IID), ambos
precisam de conhecimentos prévios da seção, tais como velocidades e distribuição da vazão.
No primeiro método IIL a seção transversal é dividida numa série de segmentos de igual
largura, para a obtenção de subamostras, sendo a velocidade de trânsito em cada vertical a mesma
usada nas outras verticais, utilizando o mesmo bico para admissão de água no amostrador,
resultando em amostras de volumes diferentes, sendo o volume maior nas verticais de maiores
velocidades (Edwards e Glysson, 1999).
No método IID a seção transversal é dividida em subseções que apresentam a mesma porção
de vazão, sendo a amostra obtida por integração na posição do centroide do segmento. Neste caso,
em cada seção individual uma velocidade de trânsito é determinada a fim de permitir um volume de
amostras, para a vertical. Dessa forma, as amostras obtidas são proporcionais aos fluxos do
20
segmento de influência da vertical, resultando em volumes de água-sedimento iguais em todas as
verticais (Carvalho N. O., 2008).
Atualmente, com o advento da hidrometria Doppler, Acoustic Doppler Current Profiler
(ADCP), a mensuração da descarga líquida é realizada com maior rapidez e precisão, por meio de
perfis de corrente obtidos sucessivas em tempo real (Filizola N. , et al., 2009), tornando o método
de Igual Incremento de Descarga (IID) o preferido no momento da amostragem.
2.2 Análise estatística dos dados: avaliação das incertezas
No geral, quando não se conhece o valor verdadeiro de um mensurando, qualquer medição
realizada será apenas uma aproximação ou estimativa do valor em questão. Para se obter uma
representação completa, deve-se incluir a dúvida deste resultado. Essa “dúvida” é expressa pela
“incerteza”.
Incerteza de um mensurando, é definida aqui como “o parâmetro associado com o resultado
de uma medição, que caracteriza a dispersão dos valores que podem ser razoavelmente atribuídos
ao mensurando” (Ramsey e Ellison, 2007). Portanto, a incerteza reflete a falta de conhecimento
exato do valor de uma grandeza (GUM, 2008).
Esta definição envolve alguns conceitos que são definidos a seguir, os quais, foram tomados
do Guia EURACHEM:
- O “parâmetro”, pode ser um desvio padrão, um intervalo de confiança, ou a dispersão com
um relativo desvio padrão de cada medida. Quando a incerteza é expressada através do desvio
padrão, ela é conhecida como incerteza padrão, geralmente simbolizada com “u”.
- A incerteza é “associada a” cada resultado da medição. Em uma medição completa, seu
resultado inclui tipicamente uma indicação da incerteza na forma x ± u, em que “x” é o resultado da
medição e “u” uma indicação da incerteza. Desta forma, o resultado indica o nível de confiabilidade
que se pode atribuir a ele, situando-o dentro de um intervalo de variabilidade admitido após
avaliação qualificada em função de erros que podem ser atribuídos aos equipamentos e/ou, métodos
utilizados e que podem ter gerado algum grau de incerteza.
- O termo "valor do mensurando", está intimamente relacionado com o conceito tradicional
de "valor verdadeiro" na terminologia estatística clássica.
- A ‘dispersão dos valores que podem ser razoavelmente atribuídos ao mesurando’. Este
indica que, com a incerteza associada com um resultado de medição, o intervalo citado deve incidir
sobre o possível intervalo de valores para o mensurando. A dispersão se dá por uma distribuição de
probabilidade, definida como um “modelo matemático que estabelece a forma como os valores de
uma variável aleatória se distribuem no respectivo espaço amostral” (Ramsey e Ellison, 2007).
21
Existem diversos tipos de distribuições que auxiliam na determinação da incerteza, porém, as mais
utilizadas na pesquisa, são: normal, retangular (uniforme) e triangular.
Para que haja possibilidade da comparação de resultados nas diversas situações, é necessário a
adoção de um procedimento universal para a estimativa da incerteza dos resultados de medição,
sem o qual os resultados não poderiam ser comparados. O documento de consenso adotado
internacionalmente como referência para o estabelecimento da incerteza de um resultado de
medição é o ”Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement” (GUM, 2008), que
estabelece os seguintes passos:
a) Definição do mensurando;
b) Diagrama de causa e efeito;
c) Avaliação das incertezas das fontes de entrada;
d) Cálculo das componentes de incerteza;
e) Combinação das componentes;
f) Cálculo dos graus de liberdade efetivo;
g) Determinação do fator de abrangência;
h) Estimativa da incerteza expandida.
a) Definição do mensurando
Geralmente o mensurando não é medido diretamente, mas determinado a partir de “n”
grandezas de entrada, através de uma relação funcional, conforme a equação (6).
𝑦 = 𝑓(𝑥1, 𝑥2, 𝑥3, … , 𝑥𝑛) (6)
Onde x1, x2,.., xn são as grandezas cujos valores e respectivas incertezas são diretamente
determinados durante a medição, como por exemplo: repetitividade, homogeneização, temperatura
ambiente, umidade, etc. Existem também outras grandezas cujos valores e incertezas provêm de
fontes externas, tais como: certificados de padrões, materiais de referência, etc., (GUM, 2008).
Um bom entendimento do mensurando possibilita a dedução de uma equação que de alguma
maneira tenha uma abrangência, onde todas as suas possíveis grandezas de base e fontes de
incertezas sejam contempladas na estimativa da incerteza de medição (INMETRO, 2008).
b) Diagrama de causa-efeito
O diagrama de causa-efeito é uma ferramenta que ajuda a representar graficamente a incerteza
de medição do Mensurando. Nele, devem ser expressas as diversas grandezas de entrada com suas
respectivas componentes que contribuem para a incerteza.
22
c) Avaliação das incertezas das fontes de entrada
Fontes de entrada são os grupos mais significativos para as incertezas do mensurando. A
avaliação da incerteza-padrão, pode ser dada por duas formas de análise, às quais dependem dos
dados de entrada. Podendo ser do Tipo A ou Tipo B.
I. Avaliação Tipo A da incerteza-padrão
Definido como o método de avaliação de incerteza que faz uso de análise estatística de séries
de observações (GUM, 2008). Sua incerteza corresponde ao desvio padrão experimental da média
do número de observações, e é dada pelas equações (7), (8) e (9), respectivamente a média
aritmética, a variância e o desvio padrão experimental da média.
𝑥 ̅ = 1
𝑛 ∑ 𝑥𝑖
𝑛
𝑖=1
(7)
𝑠2(𝑥𝑖) = ∑(𝑥𝑖 − �̅�)²
(𝑛 − 1)
𝑛
𝑖=1
(8)
𝑠(�̅�) = √𝑠2(𝑥𝑖)
𝑛
(9)
Onde:
x ̅ = média aritmética;
n = número de observações;
xi = observações individuais;
s2(xi) = variância; e
s(x̅) = desvio padrão experimental da média.
Uma vez conhecida a média das observações (𝑥 ̅), que é o resultado da soma de todos os dados
obtidos, dividida pelo número de dados, pode-se obter a variância s2(xi), que é também uma medida de
dispersão, e mostra quão distantes os valores estão da média. Por fim, o desvio padrão experimental
da média s(�̅�), é calculado pela raiz quadrada positiva da variância.
O desvio padrão é uma maneira de medir a variabilidade de um conjunto de dados. No
exemplo da Figura 5, é possível perceber que, o histograma da direita é mais estreito, portanto, a
variabilidade dos seus dados é menor. Dessa forma, quanto maior for a flutuação estatística dos
dados, quanto maior for sua imprecisão, maior será o desvio padrão.
23
Figura 5 – Histogramas de distribuição normal, com valor médio igual a 10,0 e diferentes variâncias Fonte: (Lima
Junior, 2012).
II. Avaliação Tipo B da incerteza-padrão
São avaliações deste tipo, aquelas que não contam com uma série de observações repetidas,
embasando-se em: i) Informação dada pelo fabricante, ii) características próprias do equipamento,
iii) experiência e conhecimento do técnico, iv) pequenas séries de repetições e v) dados de
referência.
Este tipo de avaliação pode ser calculado a partir de uma distribuição assumida e um intervalo
de dispersão. As mais usuais são: Retangular e Triangular. Assumindo-se uma distribuição
retangular (Figura 5) num intervalo simétrico “±a” a estimativa de incerteza-padrão Tipo B, u(xi),
será obtida pela equação (10):
Figura 6 – Distribuição de probabilidade Retangular. Fonte: (Lima Junior, 2012)
Agora, assumindo que u(xi) possui uma distribuição triangular (Figura 6) num intervalo, ±a, a
estimativa da incerteza padrão será dada pela equação (11):
𝒖(𝒙𝒊) = 𝒂
√𝟔 (11)
Figura 7 – Distribuição de probabilidade Triangular. Fonte: (Lima Junior, 2012)
sendo que:
u(xi) – incerteza padrão individual;
a – valor de entrada da componente avaliada.
𝒖(𝒙𝒊) = 𝒂
√𝟑 (10)
24
Se compararmos duas distribuições da mesma largura, sendo uma retangular e outra
triangular, a distribuição triangular está mais concentrada (menos dispersa) em torno do seu valor
médio, o que significa que o seu desvio padrão deve ser menor. Dessa forma, escolher uma
distribuição triangular em detrimento de uma distribuição retangular significa que temos motivos
para acreditar que a confiabilidade do dado que estamos obtendo é maior (Lima Junior, 2012).
d) Componentes de incerteza
Nessa etapa são avaliadas todas as componentes envolvidas. Ou seja, todas variáveis que
podem gerar alguma interferência no mensurando. É importante quantificá-las separadamente para
saber qual componente pode estar gerando maior grau de incerteza.
e) Combinação das componentes de incertezas
A incerteza padrão combinada (uc) é obtida a partir da combinação das incertezas-padrão de
cada uma das componentes individuais (𝑢𝑥𝑖). O cálculo se dá pela equação (12) do guia de
incertezas.
𝑢𝑐 = √∑(𝑢𝑥𝑖
𝑁
𝑖=1
(𝑥))² (12)
sendo que:
uc – Incerteza padrão combinada;
u(xi) – Incerteza padrão individual.
f) Cálculo dos graus de liberdade efetivo
Para realizar a expansão da incerteza combinada utilizando a distribuição-t, com o
determinado nível de confiança desejado, deve-se encontrar o número efetivo de graus de liberdade
(veff) obtido da fórmula de Welch-Satterthwaite, equação (13) (GUM, 2008). Se veff apresentar
números decimais, deve-se considerar apenas a parte inteira do número. Em avaliações do tipo B o
veff é considerado como infinito.
𝑣𝑒𝑓𝑓 = 𝑢𝑐
4(𝑦)
∑𝑢𝑖
4(𝑦)
𝑣𝑖
𝑛𝑖=1
=𝑢𝑐
4(𝑦)
∑(𝑢(𝑥𝑖).𝑐𝑖(𝑥𝑖)
𝑣𝑖
𝑛𝑖=1
(13)
Sendo que:
N = número de fontes de entrada;
νi = graus de liberdade de cada fonte de entrada;
ui (y) = incerteza-padrão de cada fonte de entrada na unidade do mensurando;
u (xi) = incerteza-padrão de cada fonte de entrada;
ci (xi) = coeficiente de sensibilidade do mensurando em relação a cada fonte de entrada (ci = Y/Xi)
25
g) Determinação do fator de abrangência
O número de graus de liberdade efetivo da incerteza padrão combinada, visto no item
anterior, é necessário para identificar o fator de abrangência “k” que é definido a partir da
distribuição t de student, com seus respectivos intervalos de confiança, apresentados na Tabela 1.
Dessa forma, o fator de abrangência possibilita produzir um intervalo em torno do resultado da
medição, através do qual se espera abranger uma grande fração especificada da distribuição de
valores que poderiam, razoavelmente, ser atribuídos ao mensurando (GUM, 2008).
Tabela 1 – Valor do fator de abrangência k que produz um intervalo tendo nível de confiança p, para uma
distribuição normal. Fonte: (GUM, 2008).
h) Estimativa da incerteza expandida
Para satisfazer as necessidades de algumas aplicações industriais e comerciais, assim como
para atender a requisitos nas áreas de saúde e segurança, pode ser obtida uma incerteza expandida
(U) pela multiplicação da incerteza-padrão combinada uc por um fator de abrangência k (GUM,
2008). A finalidade pretendida para U é fornecer um intervalo em torno do resultado de uma
medição com o qual se espera abranger uma grande fração da distribuição de valores que poderiam
razoavelmente ser atribuídos ao mensurando. U pode ser expressa na mesma unidade do
mensurando ou em forma relativa (%, ppm, ppb, etc.), e é calculada pela equação (14).
𝑈 = 𝑘 . 𝑢𝑐(𝑦) (14)
sendo que:
U – incerteza expandida;
k – fator de abrangência;
Uc (y) – incerteza padrão combinada dos mensurando.
A resolução do valor da incerteza expandida estabelece a resolução do valor mais provável do
mensurando. O resultado de uma medição é então, convenientemente expresso como Y = y ± U.
Pode-se, no entanto, assumir um fator de abrangência = 2, que representa uma incerteza expandida
com intervalor de 95,45% de confiança (Tabela 1). Nessas condições, desconsideramos os cálculos
de graus de liberdade, uma vez que não se faz necessária tamanha precisão.
Nível de confiança p (%) Fator de abrangência k
68,27 1
90 1,645
95 1,960
95,45 2
99 2,576
99,73 3
26
3 MATERIAIS E MÉTODOS
3.1 Área de estudo
A localidade escolhida para a realização das amostragens foi a estação hidrométrica de
Manacapuru (Figura 8), situada no Estado do Amazonas, que notadamente, é um dos principais
locais de coleta de dados hidrológicos da bacia do rio Solimões, o qual, neste ponto, drena uma área
de 2.242.400 km².
A estação vem sendo monitorada desde o ano de 1973, sendo um ponto crucial na rede
hidrometeorologica nacional, pertencente à ANA, operada pela CPRM. Nela é possível monitorar
as contribuições do rio Solimões em um ponto anterior à entrada do rio Negro, próximo à cidade de
Manaus, a partir de onde o rio é renomeado de Amazonas.
Na estação de Manacapuru, o rio Solimões tem um comportamento denominado de regime
equatorial, que se caracteriza por apresentar picos de cheia no meio do ano (Molinier et al., 1996),
enquanto que o período de águas baixas, ocorre de outubro a dezembro (Filizola e Guyot, 2011).
Figura 8 - Localização da seção de medição de Manacapuru. As setas em vermelho no hidrograma indicam os meses
que foram realizadas as amostragens.
A seção transversal de medição (Figura 9) localiza-se nas coordenadas 3°29.784128'(S) e
60°47.708166'(W), situada a 28 km à montante da cidade de Manacapuru. Controla praticamente a
totalidade das contribuições de sedimentos em suspensão oriundos do Equador, Peru e Colômbia,
com descarga líquida média de 103.000 m³/s (Filizola, et al., 2009).
Segundo Strasser (2008), nesta seção se observa que a movimentação do leito é de até dois
metros proveniente do deslocamento das dunas que podem chegar à até 2 metros de altura, logo,
intensificando a ressuspensão de sedimentos localmente.
Seção
27
Figura 9 – Perfil transversal da seção de Manacapuru, dia: 21/03/2015 às 18:00 horas.
3.2 Abordagem metodológica
Para a obtenção dos dados foram realizadas duas atividades de campo, sendo a primeira nos
dias 10 e 11 de junho de 2015, e a segunda nos dias 25 e 26 de abril de 2016. Nas duas atividades
mensurou-se a vazão da seção com o ADCP e as coletas de sedimentos foram feitas pelos métodos
de Integração e Pontual, como apresentados na Tabela 2.
Tabela 2 - Atividades de campo realizadas para coletas de dados.
Estação Rio Data Vazão (m³/s) Nº de amostras
Pontual Integrador
Manacapuru Solimões
10/06/2015 145.600 25 14
11/06/2015 - 15 09
25/04/2016 125.873 15 05
26/04/2016 127.156 25 08
O primeiro campo (junho 2015) focou-se em testes das diversas componentes de incertezas
analisadas, avaliando-se a repetitividade e reprodutibilidade das amostras, homogeneização, volume
da amostra, etc. As amostras foram coletadas em uma vertical distante à aproximadamente 490 m
da margem do rio, não havendo amostragem em toda a seção. No primeiro dia, foram realizadas 25
amostras com o Pontual, sendo 5 repetições em cada um dos 5 pontos da vertical. Com o Integrador
foram realizadas 14 amostras na mesma vertical, sendo: 4 amostras separadas em volumes de
aproximadamente 100 ml + 5 amostras completas filtradas em cadinho + 5 amostras completas
filtradas em rampa horizontal. No segundo dia, amostrou-se em outra vertical, sendo possível
coletar 15 amostras com o Pontual, 3 repetições em cada um dos 5 pontos, e 9 amostras com o
Integrador que não foram utilizadas nos cálculos de incerteza por apresentarem problemas durante a
amostragem, tais como: Ângulo de arrasto superior à 22º, decorrente da velocidade da corrente
igual à 1.5 m/s e lastro de 70 kg que não estabilizava o amostrador.
Distância [m]
Pro
fun
did
ad
e [m
]
Velocidade da seção [m/s] (Ref: GGA)
28
O segundo campo (abril 2016) teve como objetivo complementar as demais componentes de
incertezas, tomando-se amostras para avaliar a decantação, tempo de permanência em estufa, etc.
Na oportunidade, realizou-se a amostragem na seção completa, obtendo-se a vazão sólida, com os
dois métodos. Utilizou-se o método de Igual Incremento de Descarga (IID), dividindo a seção em 5
verticais (Figura 10), com vazão média por vertical de 25.000 m³/s. Alcançou-se profundidades de
aproximadamente 40 metros, e velocidade média de 1,75 m s-1, sendo superiores à 2,5 m s-1 em
alguns pontos do canal, com uma vazão média de 126.000 m³/s.
Figura 10 – Velocidades da seção transversal, em 26/04/2016. As linhas em magenta representam as 5 verticais
amostradas, denominadas como V1, V2, V3, V4 e V5, da margem direita para a esquerda.
Foi realizado ainda, uma comparação com ambos os métodos em uma profundidade segura,
pouco abaixo da superfície, realizando-se na profundidade de 5 metros testes de repetição das
amostragens, no mesmo ponto, no intuito de verificar o quão preciso seriam os dados coletados em
uma profundidade que não tem a influência do ângulo de arrasto. Dessa forma, foram tomadas 5
amostras com o Pontual e 5 amostras com o Integrador
Para comparar as CSS obtidas nas verticais, fez-se necessária a ponderação das amostras do
Pontual, que consiste nos seguintes passos:
1) Obtenção da vazão sólida dos pontos da vertical, através da multiplicação da CCS do
ponto pela vazão da mesma área correspondente ao ponto.
2) Soma das vazões sólidas de todos os pontos da vertical e posterior divisão pela vazão
média da vertical.
Dessa forma, retorna-se à CSS com unidade de mg/l, porém, ponderada pela vazão, onde cada
ponto assume um peso diferenciado. Essa ponderação foi realizada no Hidromesad, que é um
programa desenvolvido pelo observatório SO-HYBAM, e que se encontra disponível em:
http://www.ore-hybam.org/index.php/eng/Software.
29
3.2.1 Protocolos a comparar
Utilizou-se o protocolo estabelecido ANA e adotado pela CPRM para as amostragens do
Integrador com filtração em cadinho, e foram seguidas as recomendações do observatório SO-
HYBAM para as amostragens com o Pontual e filtração em rampa horizontal. Ambos os
procedimentos serão apresentados a seguir.
I. Método por Integração
Amostragem
Realizou-se a amostragem com o Integrador de saca modelo AMS-8 que tem capacidade de 5
litros, com os bicos de admissão de 3/16” e 1/4”, ideal para as características encontradas. Fez uso
de um lastro de 100 kg para proporcionar estabilidade ao Integrador, reduzindo o ângulo de arrasto.
A coleta seguiu os passos da Figura 11, em que, após descer e subir o Integrador, com
velocidade constante, a amostra é transferida para um balde onde é homogeneizada e armazenada
em garrafas enviadas para decantação em laboratório, onde ocorre o processo de filtração.
Figura 11 – Procedimento para coleta de sedimentos em suspensão utilizando o Integrador de saca.
Laboratório
As amostras coletadas e enviadas ao laboratório passaram primeiramente pela mensuração do
seu peso, que se deu pela diferença de pesagem das garrafas, cheias e secas. Após um período de 24
a 48 horas de decantação fez-se a redução da amostra com a retirada da água sobrenadante,
tomando o cuidado de evitar o revolvimento do material assentado no fundo. O restante da amostra,
já reduzida, devidamente agitada e transferida para o cadinho de Gooch, (Figura 12), que tem
capacidade máxima de 25 cm³, foi filtrada em membrana de celulose com porosidade de 1,5 µm
(Guy, 1969). Essa operação deve ser acelerada com o uso de bomba de vácuo de pequena potência,
adaptadas ao recipiente coletor do material filtrado, sobre o qual foi montado o cadinho de Gooch.
Figura 12 – Rampa de cadinhos de Gooch, aparato utilizado para filtração.
Amostra Total HomogeneizaçãoSeparação em
garrafaDecantação
Filtração em Cadinho
30
O resíduo da filtragem, retido no cadinho, foi levado à estufa para secar, onde permaneceu em
temperatura ≈ 105ºC, por aproximadamente 4 horas. O material foi transferido da estufa para o
dessecador à vácuo até atingirem a temperatura de 1ºC acima da temperatura ambiente,
permanecendo por um pernoite (Pinto e Magalhães, 2016). Na sequência, foi feita a pesagem dos
frascos em uma balança analítica. Por simples dedução, entre o peso determinado e a tara de cada
frasco, obtém-se o peso do material sólido amostrado. Na Figura 13 são apresentadas as etapas
referentes ao procedimento de filtração.
Figura 13 - Esquema do procedimento de Filtração com uso de Cadinho de Gooch.
Cálculos da CSS
Calcula-se a CSS utilizando a equação (15) detalhada em Guy (1969), que é o resultado do
produto entre as massas do sedimento pela amostra:
CSS = fc [mS
mA] x 1.000.000 (15)
sendo que:
CSS = Concentração do sedimento em suspensão, mg/l;
Fc = Fator de conversão de CSS de mg/kg para mg/l;
mS = Massa do sedimento seco (peso do cadinho com amostra – peso do cadinho), g;
mA = Massa da amostra, que é a mistura de água e sedimento coletada (peso da garrafa com amostra – peso
da garrafa sem amostra), g; e
1000 = Fator de conversão de g/g para mg/kg.
Registrar as amostras
PesarRepouso
(24 horas)
Filtrar (Filtro 934 HA 1,5
µm)
Secar(Estufa, 105 ±5 ºC, 4 horas)
Pesar o sedimento
seco
Esfriar(Dessecador, um pernoite)
Cálculos [CSS]
Remover o sobrenadante
31
II. Método Pontual Instantâneo
Amostragem e filtração
Utilizou-se um amostrador de grande volume e cilindro horizontal, modelo Callède com
capacidade de 5 litros, lastro de 70 kg para que sua posição se mantenha a mais vertical possível
evitando modificações no real posicionamento em relação ao fundo, GPS para a correta precisão
dos pontos, e amostragem em deriva.
O amostrador submerge com suas extremidades abertas até a posição desejada sendo fechado
por tampas de PVC acionadas por dispositivo (gatilho) disparado por mensageiro (peso) conduzido
pelo cabo de sustentação. Deste modo, retém em seu interior a amostra coletada na profundidade
específica onde se posiciona naquele instante, sendo controlada por sistema mecânico de contagem.
Após a coleta a amostra foi transferida para um balde, e iniciou-se o processo de separação
das areias e do material fino. Toda a amostra coletada passou por uma peneira com diâmetro de
63µm (Figura 14 B e C), de forma que, o material retido na peneira foi em seguida depositado em
um dos copos da rampa de filtração (Figura 14 E), que possui um filtro de acetato de celulose
(porosidade de 0,45µm) previamente pesado. Feito isso, foi separado apenas 1 litro da amostra que
já passou pela peneira, em que 500 ml foram usados para a filtração do material particulado também
passando por filtros pré-pesados (Figura 14 D). Para agilizar o processo, faz-se uso de uma bomba
de vácuo, que conectada a rampa de filtração e a um garrafão de aproximadamente 5 litros, cria um
ambiente de sucção que ao final do processo deixa apenas os sedimentos retidos com tamanho
inferior ao da malha do filtro utilizado. Na sequência, os filtros são retirados da rampa e colocados
em recipientes plásticos (petri slides), onde ficam armazenados até o término das atividades de
campo, conforme esquematizado na Figura 15.
Figura 14 - Amostrador, peneiramento do material grosseiro e filtração do material grosseiro/fino.
Figura 15 – Procedimento para coleta de sedimentos em suspensão com Pontual horizontal.
Amostra de 5 litros Balde para
Homogeneizar Passar pela peneira de
63µm
Filtrar Finos (500 ml)
Filtro Milipore, Ha 0,45 µm
Filtrar Grosseiros
Filtro Milipore, Ha 0,45 µm
32
Laboratório
Os filtros usados são levados à estufa para secagem durante duas horas, à uma temperatura
105ºC, seguindo-se pelo esfriamento em dessecador e a pesagem em uma balança analítica.
Procedimento sintetizado na Figura 16.
Figura 16 – Procedimento de filtração com a utilização de rampa horizontal.
Cálculos da CSS
Calcula-se a CSS por diferença dos pesos, relativo ao volume filtrado, tanto para materiais
finos quanto para grossos (Guyot, 1993; Filizola, 2003, Filizola e Guyot, 2009 e Filizola e Guyot,
2011), expressos na equação (16)
CSS = [Pi − Pf
V] x 1.000.000 (16)
sendo que:
CSS = Concentração do sedimento em suspensão, mg/l;
Pi = Peso inicial do filtro, sem o sedimento, g;
Pf = Peso final do filtro, com o sedimento, g;
V = Volume, ml; e
1.000.000 = Fator de conversão de g/g para mg/kg.
Secar (Estufa, 105 ± 5 ºC, 2 horas)
Pesar o sedimento seco
Esfriar(Dessecador, 1 hora)
Cálculos [CSS]
33
3.3 Análises estatística dos dados
Toda a metodologia desta pesquisa esteve baseada nas recomendações de GUM (2008).
Identificou-se as categorias das fontes de incerteza mais significativas, que são: Amostragem,
Laboratório e Filtração. As amostragens realizadas estiveram em função das incertezas destas
fontes, possibilitando uma comparação e avaliação fidedigna entre os métodos (Figura 17).
Figura 17 - Diagrama da metodologia adotada durante a pesquisa.
O diagrama de causa-efeito apresentado na Figura 18, foi obtido a partir dos dados dos dois
campos realizados no escopo desta pesquisa, no qual, mostra todas as componentes de incerteza das
principais fontes de entrada. A quantidade de componentes não é exatamente igual para os dois
métodos, uma vez que são protocolos com procedimentos diferentes.
Figura 18 – Diagrama de causa-efeito das fontes de incertezas dos métodos de medição da CSS
A metodologia detalhada para os dois métodos está descrita na Tabela 3, com suas respectivas
fontes e cada uma das componentes, o número de amostras utilizadas para estimar a incerteza
isoladamente, e o tipo de avaliação estatística que foi adotado. Todos os dados e cálculos que foram
processados para obter as incertezas estão apresentados nas Apêndices A, B, C e D.
Método Integrado
Incertezas
Amostragem
Laboratório
Filtração
Método Pontual
u' CSS
LaboratórioAmostragem
Tempo de estufa
Tempo de decantação
Balança
Temperatura Ambiente
Repetitividade da Amostra
Profundidade Amostrada
Velocidade do Rio
Filtração
Volume filtrado
Repetitividade
Reprodutibilidade
Amostragem
Posição do barco
Repetitividade de Finos
Repetitividade de Areias
Volume da amostra
Profundidade amostrada
Temperatura Ambiente
Velocidade do Rio
Laboratório Filtração
Tempo de resfriamento
Balança
Reprodutibilidade
Tempo de estufa
Volume filtrado
Homogeneização
Repetitividade
Reprodutibilidade
Mét
odo P
on
tual
Mét
odo I
nte
gra
do
Comparação e
Avaliação
34
Tabela 3 - Descrição metodológica das avaliações de incertezas.
Fonte ComponenteQtd. de
amostras
Distribuição
estatísticaDescrição metodológica
Repetitividade de areias 25 Normal 5 repetições nos 5 pontos da mesma vertical. Avaliado o desvio padrão das concentrações de areias.
Repetitividade de finos 25 Normal 5 repetições nos 5 pontos da mesma vertical. Avaliado o desvio padrão das concentrações de finos.
Profundidade amostrada Retangular Assumindo uma variação de 0,5 metros (não amostrado), com distribuição divisível por raiz de 3.
Posição do barco (Pontual) Retangular Assumindo uma variação de 10 metros (de imprecisão em relação ao ponto amostrado), com distribuição divisível por raiz de 3.
Temperatura ambiente Retângular Assumindo a temperatura de 27º com variação de 1ºC, com distribuição divisível por raiz de 3.
Volume da amostra 35 Normal Amostras coletadas na seção completa. Avaliado o desvio padrão dos volumes coletados.
Velocidade do rio Triangular Considerando a velocidade média de 1.75 m/s, e assumindo uma variação de 0.5 m/s, com distribuição divisível por raiz de 6.
Tempo de estufa 4 NormalAmostras da supercície coletadas no mesmo ponto, homogeneizada e filtrados 500 ml em rampa, com tempos diferentes de permanência na estufa: 50,
60, 70 e 80 min. Avaliado o desvio padrão da variação encontrada nas CSS.
Tempo de resfriamento 7 NormalAmostras de supercície do mesmo ponto, homogeneizadas e filtrados 500 ml em rampa, com tempos diferentes de resfriamento: 50, 60, 70 e 80 min.
Avaliado o desvio padrão da variação encontrada nas CSS.
Reprodutibilidade Normal 1 filtro de celulose, pesado 20 vezes seguidas, por dois operadores laboratoriais. Avaliado o desvio padrão do peso do filtro.
Balança Retangular Especificação de fábrica de ≈ 0.001 g, divisivel por raiz de 3
Homogeneização 20 NormalAmostra de superficie coletadas no mesmo ponto, homogeneizada e repetida por 20 vezes a filtração de 300 ml, em rampa. Avaliado o desvio padrão
das CSS.
Repetitividade 5 NormalAmostras coletadas à 5 metros de profundidade do mesmo ponto, nas mesmas condiçoes ambientais. Filtrados em rampa (grosseiros + 500 ml de
finhos), no laboratório. Avaliado o desvio padrão das CSS.
Reprodutibilidade 10 Normal
Amostras coletadas à 5 metros de profundidade do mesmo ponto, nas mesmas condiçoes ambientais. Filtrados em rampa (grosseiros + 500 ml de
finos), porém 5 foram feitas em laboratório e 5 em campo. Avaliada a capacidade de reprodutibilidade dos métodos filtrantes em diferentes ambientes,
através do desvio padão das CSS.
Volume filtrado Retangular Avaliação da incerteza gerada pela proveta ao medir o volume. Especificação de fábrica ≈ 0.10 ml divisivel por raiz de 3.
Velocidade do rio Triangular Considerando a velocidade média de 1.75 m/s, e assumindo uma variação de 0.5 m/s, com distribuição divisível por raiz de 6.
Temperatura ambiente Retangular Assumindo a temperatura de 27º com variação de 1ºC, com distribuição divisível por raiz de 3.
Repetividade das amostras 5 Normal Amostras coletadas na mesma vertical, com as mesmas condições ambientais, filtradas em cadinho. Avaliado o desvio padrão da CSS.
Profundidade amostrada Avaliada e corrigida em função do ângulo de arrasto que foi gerado.
Tempo de decantação 4 NormalAmostras de superficie do mesmo ponto, com tempos diferentes de decantação: 24, 48, 72h e 1 semana. Avaliada a variação final da concentração,
atraves do desvio padrão.
Tempo de estufa Triangular Assumindo-se que a amostra permaça por mais 2hrs dentro da estufa até a sua retirada, usa-se uma distribuição divisível por 6.
Balança Retangular Especificação de fábrica de ≈ 0.001 g, divisivel por raiz de 3
Volume filtrado 8 Normal Amostras completas da saca, coletadas na mesma vertical. Avaliado o desvio padrão dos diferentes volumes.
Repetitividade 10 Normal Amostras coletadas no mesmo ponto da superficie, de ≈ 550 ml, homogeneizadas e filtradas em cadinho. Avaliado o desvio padrão da CSS obtida.
Reprodutibilidade 5 Normal Amostras completas da saca, coletadas nas mesmas condições ambientais, porém, filtradas em rampa. Avaliado o desvio padrão das CSS.
Amostragem
ME
TO
DO
PO
NT
UA
L
Laboratório
ME
TO
DO
IN
TE
GR
AD
O
Amostragem
Laboratório
Filtração
Filtração
35
4 RESULTADOS
4.1 Avaliação de sedimentos na seção
O campo de abril teve por objetivo avaliar a concentração média da seção, através da
amostragem em 5 verticais. Com o Integrador a CSS foi de 219 mg/l, sendo 89 mg/l à menos que o
Pontual (308 mg/l), representando uma diferença de 29%.
Pode ser observado na Figura 19 a distribuição das CSS nas verticais e, na Tabela 4, os
resultados obtidos em campo com o método Pontual. Nota-se uma variação de concentrações entre
as verticais, em que as verticais V2 e V3 apresentam gradiente vertical positivo, com menores
concentrações na superfície e maiores no fundo, sendo até 4 vezes maiores. Vale observar ainda,
que os pontos de superfície das verticais V1 e V2 apresentam concentrações mais elevadas.
Figura 19 – Perfil transversal da seção de Manacapuru e distribuição das amostras coletadas
Tabela 4 – Informações gerais da amostragem com o método Pontual na estação de Manacapuru. Data:26/04/16.
Ainda nas amostras coletadas com o método Pontual, observa-se que as verticais V1, V4 e
V5, apresentam um comportamento deformado das parábolas de concentração, as quais não
definem um perfil logarítmico. Esse comportamento se dá pela presença de altas concentrações em
pontos acima do fundo, que são influenciados tanto pela erosão das margens, no caso das verticais
177
256
558
419
568
131
199
293
371
415
72
167
283
374
667
71
176
439
423
515
67
159
333
1087
230
-45
-40
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
Pro
fun
did
ad
e (m
)
Distância (m)
Manacapuru em 26/04/2016
Perfil transversal
Amostras
V1 30 487 25.137 409
V2 36 943 26.022 260
V3 34 1373 24.430 258
V4 40 1679 30.136 301
V5 27 2222 20.045 313
VerticalProf.
total (m)
Distância
média (m)
Vazão média
(m³/s)
CSS ponderada
(mg/l)
V1 V3 V3 V4 V5
36
de 1 e 5, quanto por fatores hidrométricos como as altas velocidades (≈ 2 m s-1) e vazão líquida (Q)
da área (Figura 20), que provocam a ressuspensão de sedimentos nesses pontos.
Figura 20 – Vazão sólida (QS) das verticais amostradas e Vazão líquida (Q).
Sintetiza-se na Tabela 5 os resultados da amostragem de abril com o método Integrado,
identificando-se as condições de realização da coleta. Observa-se diferenças nas concentrações das
verticais, porém, com um comportamento homogêneo.
Tabela 5 – Informações gerais da amostragem com o método Integrado, na estação de Manacapuru. Data: 26/04/16.
Pode-se verificar que as verticais V2, V3 e V4 apresentam uma eficiência de ≈ 72%,
justificando-se pelo bico de ingestão de água no Integrador de diâmetro 3/16 que foi utilizado, uma
vez que nestas verticais as profundidades estão entre 34 e 40 m. A diferença nas verticais V1 e V5
em que a eficiência esteve ᵙ 77% está relacionado ao bico de diâmetro ¼.
Segundo Sabol e Topping (2012) com uma menor eficiência pode-se ter uma maior
quantidade de sedimentos entrando. Observou-se neste campo que as maiores concentrações são
encontradas nas verticais com menor eficiência. A eficiência média da amostragem é de 74%,
estando no limite aceitável em uma amostragem, sendo previsto um erro de +10% na concentração
(U.S. Geological Survey., 2013)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0 200 400 600
Pro
fun
did
ade
(m)
Qs *10^3 (t/dia)Qs
V1V2V3V4V5
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0 5000 10000
Pro
fun
did
ade
(m)
Q (m³/s)Q
V1V2V3V4V5
V1 30 26.6 420 1.75 25.200 1/4 77 183
V2 37 29.2 861 1.70 25.200 3/16 70 197
V3 34 27.6 1282 1.98 25.200 3/16 73 279
V4 40 27.4 1616 2.13 25.200 3/16 71 251
V5 27 25.3 2085 1.10 25.200 1/4 77 186
Tipo de
bicoVertical
Prof. total
(m)
Distância
média (m)
Vel. média
(m/s)
Prof. real
(m)
Vazão
(m³/s)
Eficiência
(%)
CSS
(mg/l)
Método Integrado
37
4.2 Avaliação de incertezas dos métodos de amostragem
A Tabela 6 mostra os resultados das incertezas para todas as componentes dos métodos
Pontual e Integrado, de suas respectivas fontes encontradas: amostragem, laboratório e filtração.
Observa-se que a maior contribuição de incertezas em ambos os métodos está relacionada à
fonte de Amostragem. No método Pontual esta incerteza se faz maior, justificando-se pelo
posicionamento do barco que por estar em deriva seu deslocamento não permite chegar exatamente
no mesmo ponto para amostragem, além disso, as amostras de fundo apresentam grande variação
pela presença de dunas que podem chegar à até 2 metros de altura (Strasser, 2008). Existe de um
gradiente positivo da superfície ao fundo, para as areias, com presença acentuada a partir dos 75%
de profundidade da seção.
Tabela 6 – Tabela resumo de cálculos das incertezas da CSS
Fonte Componentes Unidades Distribuição Tipo Valor Desvio Padrão Repetições Divisor u
Repetitividade de Areias mg/l Normal A 130 45 5 20.14
Repetitividade de Finos mg/l Normal A 54 3 5 1.45
Profundidade amostrada m Retangular B 40 1 1.7 0.29
Posição do barco m Retangular B 0 10 1.7 5.77
Temperatura ambiente ºC Retangular B 27 1 1.7 0.58
Volume da amostra L Normal A 5 0 35 0.06
Velocidade do rio m/s Triangular B 2 1 2.4 0.20
21
Tempo de estufa mg/l Normal A 94 10 4 4.95
Tempo de resfriamento mg/l Normal A 44 1 5 0.43
Reprodutibilidade mg/l Normal A 0 0 20 0.00
Balança g Retangular B 0 1.7 0.01
5
Homogeneização mg/l Normal A 19 1 20 0.27
Repetitividade mg/l Normal A 192 14 5 6.12
Reprodutibilidade mg/l Normal A 189 16 10 4.99
Volume Filtrado (proveta) L Retangular B 0 1.7 0.06
8
23
Velocidade do rio m/s Triangular B 2 1 2.4 0.20
Temperatura ambiente ºC Retangular B 27 1 1.7 0.58
Repetitividade das amostras mg/l Normal A 97 16 5 7.19
Profundidade amostrada m Retangular B 30 1 1.7 0.58
7
Tempo de decantação mg/l Normal A 120 13 4 6.73
Tempo de estufa ºC Triangular B 4 1 2.4 0.41
Balança g Retangular B 0 1.7 0.01
7
Volume filtrado L Normal A 4 1 8 0.39
Repetitividade mg/l Normal A 31 6 10 1.94
Reprodutibilidade mg/l Normal A 79 4 5 1.85
2
10
Grandeza
unidadesValor Estimado CSS
Incerteza padrão
combinada
Fator de
abrangência
Y y u c (y ) k (95,45%)
Pontual* mg/L 308 23 2
Integrado mg/L 219 10 2
* CSS média, ponderada pela vazão
7
5
ME
TO
DO
PO
NT
UA
L
u Combinada do Pontual
9
15
CVE
Incerteza
expandida
relativa %
Incerteza padrão relativa
%
RSD = CV
Método
Incerteza
expandida
U (y )
46
20
Soma
ME
TO
DO
IN
TE
GR
AD
O
Soma
Filtração
(F)
Laboratório
(L)
u Combinada do Integrado
Soma
Amostragem
(A)
Filtração
(F)
Laboratório
(L)
Amostragem
(A)
Soma
Soma
Soma
38
Nas incertezas do Laboratório, o método Integrado foi maior que o Pontual, sendo 7 e 5
mg/l, respectivamente. Os resultados indicam que a maior contribuição desta fonte, no método
Integrado, foi o tempo de decantação das amostras, chegando-se ao valor de 6,7 mg/l,
enquanto que, no método Pontual esteve relacionado ao tempo de permanência das amostras
na estufa utilizada, gerando uma incerteza de 4,9 mg/l.
As normas estabelecem que as amostras filtradas em cadinho fiquem 48h em
decantação, no entanto, as análises em laboratório mostraram que há uma perda de 24 mg/l
em relação à mesma amostra que permaneceu em decantação por uma semana, sendo
encontradas as concentrações de 112 mg/l (24h) e 136 mg/l (1 semana). Portanto, há uma
perda real de 18% da CSS, como pode ser observado na Tabela 7.
Tabela 7 – Testes do tempo de decantação das amostras.
As incertezas provenientes da Filtração foram maiores no método Pontual, com o
valor de 8 mg/l, enquanto que com o Integrador foi de 2 mg/l. Em ambos os métodos as
maiores contribuições estiveram relacionadas à repetitividade e reprodutibilidade.
Em resumo, Figura 21, o método Pontual apresentou maior incerteza. Em relação às
componentes, a Amostragem foi a maior fonte em ambos os métodos, com os valores de 21
mg/l (Pontual) e 7 mg/l (Integrador). A incerteza expandida para o Pontual foi de 46 mg/l, que
equivale à ≈ 15% da CSS, enquanto que, com o Integrador, a expandida foi de 20 mg/l,
equivalente à ≈ 9% da CSS total.
Figura 21 – Incertezas totais dos métodos de amostragens. A = amostragem, L = laboratório, F = filtração.
Tempo (h) Vol (l) CSS (mg/l)
24 5 106.4
48 5 112.6
72 5 124.9
96 5 136.7
Teste de decantação
8
5
21
0 5 10 15 20
Incerteza (mg/l)
Fo
nte
pa
ra u
(Css
)
Incerteza Padrão - Pontual
A
L
F2
7
7
0 2 4 6 8 10
Incerteza (mg/l)
Fo
nte
para
u(C
ss)
Incerteza padrão - Integrado
A
L
F
20
46
0 20 40
Incerteza (mg/l)
Incerteza padrão expandida
Pontual
Integrado
8
5
21
0 5 10 15 20
Incerteza (mg/l)
Fo
nte
pa
ra u
(Css
)
Incerteza Padrão - Pontual
A
L
F2
7
7
0 2 4 6 8 10
Incerteza (mg/l)
Fon
te p
ara
u(C
ss)
Incerteza padrão - Integrado
A
L
F
20
46
0 20 40
Incerteza (mg/l)
Incerteza padrão expandida
Pontual
Integrado
39
5 DISCUSSÃO
Como já visto, o método Pontual apresentou o maior valor de incerteza padrão
combinada (23 mg/l), em que, a maior contribuição para ambos os métodos esteve
diretamente relacionada à amostragem. São vários procedimentos envolvidos na coleta das
amostras, como a homogeneização, condições ambientais, repetitividade, etc., que tornam esta
fonte mais propensa a ter maior contribuição das incertezas.
Analisando as concentrações obtidas sob a perspectiva das verticais, os resultados
apresentados na Figura 22 mostram que as diferenças nas CSS entre os dois métodos chegam
à 55% na vertical V1, e à 41% na vertical V5. A alta CSS nestas verticais do Pontual pode ser
justificada pela influência do fenômeno de borda, por estarem mais próximas às margens onde
a produção de sedimentos é maior, especialmente no período de enchente devido à erosão
intensificada (Picouet, 1999).
Figura 22 – Comparação da concentração de sedimentos em suspensão (CSS) obtida com os dois métodos. As
CSS do método Pontual foram ponderadas pela vazão líquida das verticais.
Percebe-se, portanto, que o método Pontual apesar de ter uma maior incerteza, apresenta
a vantagem de conseguir realizar melhor a amostragem de fundo, onde prevalecem as areias,
influenciando diretamente no aumento da CSS da vertical amostrada e, possibilitando ainda,
um melhor entendimento do gradiente de concentrações, em suas frações granulométricas,
como apresentado na Figura 23.
55%
24%
-8%
17%41%
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
1 2 3 4 5
CS
S [
mg/l
]
Vertical
Diferenças entre as CSS Manacapuru (26/04/2016)
Integrador
Pontual
40
Figura 23 - Concentração de sedimentos nas verticais amostradas Pontualmente
Ao analisar a Vazão Sólida (Qs) das verticais para os dois métodos, apresentada na
Tabela 8Tabela 8, percebe-se que o QS do Pontual é 28% maior que o QS do
Integrador. Na maioria das verticais o Qs finos tem valor aproximado ao Qs do Integrador, o
que nos permite a suposição de que é apenas a fração de finos que está sendo amostrada.
Tabela 8 – Qs de Manacapuru com os dois métodos e determinação do erro de amostragem das areias.
Ainda, se considerarmos a hipótese de que a concentração de finos é mais estável e
homogênea na seção, como exposto por Armijos et al., (2016) para este período do ano
hidrológico, então os dois métodos conseguiriam medir as mesmas concentrações, de maneira
que, as diferenças seriam o teor de areia não capturado pelo integrador, resultando em um erro
dessa não captura, da ordem de 64%.
Tal consideração nos permite observar que, a componente do método Pontual que avalia
as areias (repetitividade de areias), apresenta-se como a maior contribuição entre todas as
incertezas. No método Integrado, por sua vez, essa incerteza não é quantificada, uma vez que
não há a captura significativa das areias, com erro já mencionado acima de 64%.
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0 200 400 600
Pro
fund
idad
e (m
)CSS (mg/l)
Grosseiros
V1
V2
V3
V4
V5
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0 200 400 600 800
Pro
fund
idad
e (m
)
CSS (mg/l)Finos
V1
V2
V3
V4
V5
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0 500 1000 1500
Pro
fund
idad
e (m
)
CSS (mg/l)Total
V1
V2
V3
V4
V5
V1 V2 V3 V4 V5 Média
Qs Pontual [*103 ton/dia] 889 585 545 784 543 669
Qs_areias [*103 ton/dia] 460 230 272 388 242 318
Qs_finos [*103 ton/dia] 399 403 388 458 408 411
Qs Integrador [*103 ton/dia] 396 442 589 654 321 481
Qs Integrador - Qs finos [*103 ton/dia] 3 39 201 196 87 105
Erro das areias no Integrador 99% 83% 26% 49% 64% 64%
Vazão Sólida de Manacapuru e erro da amostragem de areias
41
Outro indicio de que as areias exercem forte influência nas incertezas, são os resultados
obtidos através das amostras coletadas à cinco metros de profundidade com os dois métodos,
as quais apresentaram pouca diferença nas concentrações obtidas, da ordem de 13 mg/l (7%),
indicando que, com essa profundidade não há problemas nas amostragens, uma vez que é
baixa a presença das areias, como pode ser observado na granulometria da Figura 24 A, que
apresenta percentuais volumétricos aproximados de partículas finas. As diferenças são
percebidas de fato, nas amostras que necessitam chegar próximo ao fundo do rio, onde a
predominância é de areias que tem sua produção intensificada pela movimentação das dunas
(Strasser, 2008). À exemplo, na granulometria das amostras da vertical 4 (Figura 24 B)
percebe-se que no Pontual o D50 = 22 µm e no Integrador o D50 = 14µm, mostrando-se a
ausência de partículas mais grosas. O Pontual apresenta um pico acentuado de areias no
diâmetro de 138 µm, que representa quase 50% do percentual volumétrico da amostra. O
mesmo pico de areias não é identificado nas amostras do Integrador, indicando que ele não foi
capaz de amostrá-las.
Figura 24 – Granulometria das amostras. a) amostra coletada a 5 metros de profundidade, b) amostra
coletada em toda a vertical 4.
Para enriquecer ainda mais tal discussão, serão pontuados a seguir, alguns tópicos
entendidos como importantes, uma vez que influenciam na operacionalização de cada método
para a obtenção das concentrações:
Infraestrutura para amostragem
Para ambos os métodos é necessária uma estrutura de grande porte para realizar as
amostragens. Fala-se da necessidade de um barco regional, guincho hidrométrico, lastro e etc.
Com o que se dispõe hoje na Amazônia, é possível realizar a amostragem em segurança com
0
1
2
3
4
5
6
0.01 0.10 1.00 10.00 100.00 1000.00 10000.00
Vo
lum
e (%
)
Diâmetro das partículas (µm)
Vertical 4Integrador
Pontual
0
1
2
3
4
5
6
0.01 0.10 1.00 10.00 100.00 1000.00 10000.00
Vo
lum
e (%
)
Diâmetro das partículas (µm)
5 m ProfundidadeIntegrador
Pontual
42
o amostrador Pontual, uma vez que este é feito em deriva. O mesmo não pode ser afirmado
para o Integrador, pois necessita de uma infraestrutura ainda mais pesada, capaz de sustentar o
barco ancorado e um peso do lastro maior a 100 kg
Hidrodinâmica dos equipamentos
Faz-se necessário um estudo mais detalhado com essa finalidade, no entanto, a
conclusão que obtivemos ao observar a influência da hidrodinâmica dos equipamentos
durante a amostragem é:
Amostrador Pontual: apresenta formato tubular, dessa forma, sua entrada na água é
menos brusca, uma vez que o líquido continua seguindo seu curso, passando por dentro do
amostrador. O revolvimento provocado visualmente é baixo.
Integrador de saca: apresenta formato arredondado, além de possuir um peso maior. Isso
faz com que a perturbação local seja visivelmente intensa, desviando o curso da água e
provocando revolvimento.
Fatores de risco durante a amostragem
Ângulo de arrasto do Integrador
Com a velocidade da corrente d’água pode superar os 2 m/s, associado ao ancoramento
do barco para a amostragem com o Integrador, gera-se um ângulo de arrasto superior aos 20º,
impedindo que a amostragem seja completamente na vertical, como deveria ser, provocando
um tensionamento da estrutura do barco. Essa característica impede que o Integrador atinja
seu objetivo se fazer uma amostragem integralmente na vertical.
Guincho e cabo de sustentação
Durante a amostragem com o Integrador, percebe-se que o guincho hidrométrico
disponível acaba sendo forçado demais, uma vez que o peso do equipamento associado ao
peso do lastro é de aproximadamente 150 kg. Por vezes o cabo de sustentação de desprende
da roldana gerando um risco elevado. A frenagem do equipamento não acontecia com
eficácia, de forma que, o equipamento continuava descendo mais alguns centímetros até
conseguir parar por completo, correndo o risco de perda de controle na descida.
Tempo gasto na amostragem e filtração
No método Pontual, o tempo gasto na operação é de aproximadamente 3 horas para se
ter uma amostragem completa da seção. Além do tempo necessário para a filtração das areias
43
e finos ainda in situ, que depende muito da quantidade de sedimentos que está diluído na
amostra. Inclui-se ainda, o tempo de estufa, resfriamento e a repetição dos processos em caso
de muitas amostras.
Com o método Integrado, leva-se aproximadamente 2 minutos para amostrar uma
vertical completa, sendo que o mais demorado é apenas o tempo de deslocamento de uma
vertical à outra. É possível, portanto, amostrar toda a seção transversal em no máximo 2
horas, podendo-se fazer várias repetições nas verticais, caso necessário. O processo de
filtração das amostras coletadas com o Integrador requer mais tempo para o tratamento.
Vejamos a soma das horas por atividades, para os dois métodos na Tabela 9:
Tabela 9 – Tempo gasto na amostragem e filtração
Atividade Tempo no Pontual (h) Tempo no Integrador (h)
Amostragem 03 02
Decantação 0 48
Filtração 05 08
Secagem em estufa 02 04
Resfriamento em sílica 01 12
Repetição dos processos 04 0
Total 15 horas 74 horas
Dessa forma, todo o protocolo de coleta e filtração do método Pontual requer
aproximadamente 15 horas de trabalho, enquanto para o Integrador é preciso de 74 horas. O
tempo gasto pode ser maior, dependendo de fatores como a quantidade de amostras tomadas,
além da carga sedimentar que varia em função do período hidrológico.
Quantidade de pessoal
Em ambos os métodos, a quantidade de pessoas necessárias para operar a amostragem é
a mesma. Precisa-se basicamente de 4 pessoas, sendo: 1 Operador do GPS, para o
posicionamento correto do barco; 1 Responsável pela descida e subida do amostrador; 1
Responsável pela separação de amostras; 1 Controlador do guincho hidrométrico
No entanto, a montagem do Integrador no guincho hidrométrico requer a mobilização
de pelo menos 5 pessoas, pois, associado ao peso do equipamento têm-se o peso do lastro de
100 kg.
44
6 CONCLUSÃO
Considerando os resultados das estimativas de incerteza padrão combinada, para a CSS
obtida neste trabalho, conclui-se que a incerteza de amostragem é a fonte de maior
contribuição para o mensurando, em ambos os métodos.
Obteve-se uma incerteza padrão expandida total, com intervalo de confiança de 95,45%
da ordem de U = ±46 mg/l para o Pontual e U = ±20 mg/l para o Integrador, que representam
em termos relativos 15 e 9%, respectivamente.
A concentração média da seção obtida com o Pontual foi 29% maior em relação ao
Integrador, porém, observando-se as CSS por verticais essa diferença é ainda maior, chegando
à 51%. Nesse sentido, a leitura final da concentração obtida com os dois métodos se dá da
seguinte forma: CSS Pontual = 308 ± 46 mg/l e CSS Integrador = 219 ± 20 mg/l, sintetizados
na Figura 25.
Figura 25 – Síntese das incertezas dos métodos Pontual e Integrador.
Dessa forma, sendo feitos os cálculos da descarga sólida (Qs) da seção de Manacapuru,
chega-se aos seguintes valores: Qs = 669 *103 t/dia com o Pontual e Qs = 481 *103 t/dia com
o Integrador, o que representa uma diferença de 28% à mais no método Pontual. Essa
diferença provém especialmente do erro da não ingestão das areias no Integrador, que
equivale à 64%.
45
O método Integrado não se mostrou eficiente para as areias, dessa forma, a CSS total
acaba sendo subestimada, condição esta que é prejudicial ao monitoramento de uma bacia de
grande importância como a Amazônica.
Ambos os métodos puderam ser operados na estação de Manacapuru, no entanto, chega-
se à conclusão de que a logística atual, presente na Amazônia, é mais favorável para a
amostragem com o Pontual, por ser um equipamento hidrodinâmico de operação em deriva.
Para a operacionalização do Integrador em outras localidades da Amazônia, como em Óbidos
por exemplo, faz necessário de uma logística de maior porte, que a região ainda não possui,
somente desta forma será possível obter os resultados esperados em concentração e eficiência.
Portanto, levando-se em consideração todos os fatores pontuados a respeito do
Integrador, tais como: Ineficiência na amostragem de areias, subestimação da CSS total da
seção e difícil operacionalização, conclui-se que, apesar do Pontual apresentar maior
incerteza, ele representa uma amostragem mais confiável, com melhor descrição da vazão
sólida, sendo recomendado para o uso no monitoramento dos grandes rios Amazônicos,
justificando, portanto, as diferenças encontradas entre as duas bases de dados, ANA e SO-
HYBAM
46
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50
APÊNDICE A – Dados para obtenção de repetitividade de areias e finos (Pontual)
R = repetição da vertical. Logo, R1 é a primeira repetição realizada em todos os pontos da
vertical 1 (1.1; 2.1; 3.1; 4.1; 5.1) abrangendo todas as profundidades amostradas. E
assim por diante, com as 5 repetições realizadas na mesma vertical;
n = número de combinações de amostras, que resultam em uma vertical completa;
s = Desvio padrão da média das amostras;
u = incerteza padrão das componentes, mg/l.
Vol (L) CSSa Vol (ml) CSSf
1.1 39.5 4948.0 217 500 75.4 293
1.2 39.5 4972.0 434 500 84.6 519
1.3 39.5 4990.0 591 500 82.6 674
1.4 39.5 4956.0 588 500 100.6 689
1.5 39 4999.0 871 500 91.2 963
2.1 30 5011.0 68.5 500 74 143
2.2 30 5013.0 76.5 500 71.2 148
2.3 30 4974.0 61.4 500 56.4 118
2.4 30 4903.0 41.8 500 56 98
2.5 30 4986.0 68.5 500 68.4 137
3.1 20 4957.0 34.0 520 62.5 97
3.2 20 4946.0 69.3 500 61 130
3.3 20 4783.0 30.4 500 52.6 83
3.4 20 4922.0 22.0 500 48.4 70
3.5 20 4952.0 14.3 500 39.4 54
4.1 10 4948.0 14.6 500 52 67
4.2 10 4970.0 11.1 500 44.2 55
4.3 10 5018.6 9.5 500 34.2 44
4.4 10 4900.0 4.9 500 40.2 45
4.5 10 4954.6 7.4 500 38.4 46
5.1 sup 9574.0 0.4 500 23.2 24
5.2 sup 8713.6 0.3 500 22.8 23
5.3 sup 9863.0 1.9 500 20.2 22
5.4 sup 10154.6 0.3 500 24.4 25
5.5 sup 9673.0 1.4 500 36.6 38
Amostras coletadas com o Pontual (10/06/2015), estação de Manacapuru, vertical única
Vertical 1
Ponto/repetiçãoProf. (m)
CSS
Total
AREIAS FINOS
Repetição n Média s u Repetição n Média s u
R1 1 57 R1 1 67
R2 2 57 R2 2 118
R3 3 49 R3 3 139
R4 4 54 R4 4 132
R5 5 55 R5 5 193
54 3 1 130 45 20
Repetitividade de finos Repetitividade de areias
51
APÊNDICE B – Dados e cálculos para obtenção de volume da amostra, repetitividade e
reprodutibilidade de filtração (Pontual).
Vertical Ponto Prof. (m) Vol (ml) CSSa CSSf CSS Total
1 1 5 4973.2 42.3 151 194
1 2 5 4966.9 27.1 118 145
1 3 5 4980.6 60.7 158 219
1 4 5 4948.2 37.6 169 207
1 5 5 4996.2 28.0 142 170
1 1 5 4930 34.9 153 188
1 2 5 5170 23.5 152 175
1 3 5 5000 47.6 166 213
1 4 5 5000 27.2 162 189
1 5 5 5000 32.0 162 194
1 1 28 5000 558.7 172 730
1 2 25 5000 128.7 141 270
1 3 15 5000 24.5 147 171
1 4 sup 10000 8.7 118 127
1 1 28 3000 381.9 186 568
1 2 25 5000 220.2 199 419
1 3 15 5000 358.8 199 558
1 4 5 5000 77.9 178 256
1 5 sup 10000 19.7 157 177
2 1 35 5000 209.2 206 415
2 2 30 5000 158.1 213 371
2 3 20 5000 95.0 198 293
2 4 10 5000 40.1 159 199
2 5 sup 10500 9.5 121 131
3 1 33 5000 380.1 286 667
3 2 28 5000 141.3 233 374
3 3 18 5000 99.4 183 283
3 4 9 5000 21.9 145 167
3 5 sup 7000 0.8 72 72
4 1 38 4500 313.5 201 515
4 2 34 4500 201.2 222 423
4 3 22 4500 205.4 234 439
4 4 10 4500 23.4 152 176
4 5 sup 5100 1.2 70 71
5 1 26.5 5000 117.6 112 230
5 2 23 5000 425.1 662 1087
5 3 18 5000 127.7 205 333
5 4 9 5000 27.9 131 159
5 5 sup 6200 0.3 67 67
Amostras coletadas com o Pontual em 25 e 26/04/2016
Média s u
Repetitividade de Filtração 192 14 6
Reprodutibilidade de Filtração 189 16 5
5 0.4 0.06
Incerteza (Pontual)
Volume da amostra
Reprodutibilidade
10 amostras
Reprodutibilidade
10 amostras
Repetitividade 5
amostras
52
APÊNDICE C - Dados e cálculos para a obtenção de incertezas do Tempo de estufa,
tempo de resfriamento, reprodutibilidade do laboratório e homogeneização da
amostra (Pontual)
Obs.: Nesses testes, todas as amostras foram tomadas em superfície, isolando a atividade
avaliada do método de amostragem.
#Filtro Pi: 1º Operador Pi: 2º Operador
351 0.0766 0.0764
351 0.0766 0.0763
351 0.0765 0.0762
351 0.0765 0.0763
351 0.0766 0.0764
351 0.0765 0.0762
351 0.0765 0.076
351 0.0764 0.0763
351 0.0765 0.0762
351 0.0766 0.0763
352 0.0762 0.076
352 0.076 0.0759
352 0.0763 0.0761
352 0.0761 0.0761
352 0.0761 0.0764
352 0.0761 0.0759
352 0.0762 0.076
352 0.0763 0.076
352 0.0763 0.076
352 0.0762 0.0761
Média s u
0.0764 0.0002 0.00004
REPRODUTIBILIDADE LAB
#Filtro Tempo (min) vol CSS
1 50 500 101.2
2 60 500 82.4
3 70 500 97.2
4 80 500 107.0
Média s u
93.6 9.90 5.0
TEMPO DE ESTUFA
CSS Média s u
Filtro 1 52.36 1.01 0.45
Filtro 2 47.8 1.08 0.48
Filtro 3 38.96 1.02 0.46
Filtro 4 51.52 1.11 0.50
Filtro 5 43.92 0.95 0.43
Filtro 6 33.8 0.91 0.40
Filtro 7 39.96 0.68 0.31
44.05 0.97 0.43
TEMPO DE RESFRIAMENTO
Operador #Filtro Vol CSS
1 208 300 17.3
1 209 300 17.3
1 207 300 20.0
1 214 300 17.0
1 216 300 19.0
1 218 300 20.0
1 219 300 19.7
1 220 300 19.7
1 224 300 18.7
1 1076 300 17.3
2 212 300 17.3
2 213 300 18.0
2 211 300 16.7
2 210 300 19.3
2 215 300 20.7
2 222 300 18.3
2 223 300 19.0
2 221 300 20.0
2 225 300 17.7
2 1077 300 19.7
Média s u
18.63 1.22 0.27
HOMOGENEIZAÇÃO
53
APÊNDICE D - Dados e cálculos para a obtenção de incertezas de distribuição normal,
tipo A (Integrador)
Repetição Vol (ml) CSS
1 584 25.7
2 573 22.3
3 527 26.2
4 521 23.2
5 571 36.0
6 515 35.9
7 544 35.9
8 590 33.2
9 526 36.5
10 502 37.6
Média s u
31.3 6.1 1.9
REPETITIVIDADE DA FILTRAÇÃO
Repetição Prof (m) CSS
1 38 121
2 41 80
3 41 88
4 41 91
5 41 104
Media s u
96.88 16.07 7.19
REPETITIVIDADE DAS AMOSTRAS
coletadas em 10/06/2015
Repetição CSS
1 79.4
2 74.6
3 83.8
4 74.2
5 80.8
Média s u
78.6 4.1 1.8
REPRODUTIBILIDADE DA FILTRAÇÃO
Coletadas em 10/06/15
Tempo (h) Vol (l) CSS (mg/l)
24 5 106.36
48 5 112.59
72 5 124.86
96 5 136.70
Média s u
120.1 13.5 6.7
TEMPO DE DECANTAÇÃO
Repetição Vol (ml) CSS
1 4573 183
2 2452 197
3 2788 279
4 3051 251
5 2555 186
6 4265 235
7 5016 181
8 4910 191
Média s u
3.70 1.10 0.39
Volume Filtrado (26/04/16)
