Interference of hydraulic roughness generated by unsubmerged vegetation on sediment transport in capibaribe river

Abstract

A vegetação desempenha um papel importante nos processos de transporte de sedimentos, sendo essencial melhorar o conhecimento sobre a interferência da vegetação emersa neste processo. Dessa maneira, o principal objetivo desta pesquisa foi avaliar a interferência da rugosidade hidráulica gerada pela vegetação emersa no transporte de sedimentos, com base na relação entre o coeficiente de arraste vegetal (CD’) e o número de Reynolds da planta (Replanta) do Rio Capibaribe. Campanhas de medição direta foram realizadas seguindo a metodologia de amostragem por igual incremento de largura (IIL), usando o amostrador US DH-48 para amostragem de sedimento em suspensão e o amostrador US BLH 84 para amostragem de sedimento de fundo. Foi avaliada a resistência gerada pela espécie Echinodorus macrophyllus por meio do coeficiente de arraste vegetal (CD’) e da força de arraste vegetal (FD), bem como a influência destes parâmetros no transporte de sedimentos da bacia hidrográfica do rio Capibaribe. Além disso, foram realizadas análise de componentes principais (ACP) e análise de agrupamento hierárquico (ACH) para escolher as variáveis mais importantes associadas ao transporte de sedimentos e classificar as treze campanhas de medição direta em grupos de acordo com a similaridade, respectivamente. O CD’ atingiu um valor máximo igual a 11,13 m-1, indicando a resistência hidráulica gerada pela Echinodorus macrophyllus. Os dois primeiros componentes extraídos tiveram autovalores iguais a 6,74 e 3,15, representando 90,03% da variância total explicada. A ACH revelou cinco grupos em que o segundo foi formado pelas campanhas de medição direta realizadas com vegetação emersa ao longo da seção transversal (C2, C4 e C6). Estas medições apresentaram os valores mais baixos, sobretudo para a tensão de cisalhamento e descarga sólida de fundo. O último grupo foi formado pelas campanhas de medição direta (C10, C11, C12 e C13), que reuniram principalmente os maiores valores para o raio hidráulico, vazão, descarga sólida de fundo e tensão de cisalhamento. Sendo assim, a análise multivariada foi considerada uma ferramenta adequada para avaliar a influência da vegetação emersa no transporte de sedimentos da bacia hidrográfica do rio Capibaribe.

The vegetation plays an important role on sediment transport processes, being essential to improve the knowledge regarding the unsubmerged vegetation interference in this process. Thus, the main aim of this research was to assess the hydraulic roughness interference generated by unsubmerged vegetation on sediment transport, based on relationship between vegetation drag coefficient (CD’) and Reynolds number of vegetation (Replant) from Capibaribe River. Direct measurements campaigns were carried out according to the equal-width- increment (EWI), using the US DH-48 sampler to suspended sediment sampling and US BLH 84 sampler to bedload sampling. It was evaluated the resistance generated by Echinodorus macrophyllus by means of the vegetation drag coefficient (CD’) and vegetation drag force (FD) as well as the influence of these parameters on sediment transport of Capibaribe watershed. Furthermore, principal component analysis (PCA) and hierarchical cluster analysis (HCA) were performed to choose the most important variables associated with the sediment transport and classify the thirteen direct measurement campaigns in groups according to the similarity, respectively. The CD’ reached a maximum value equal to 11.13 m-1, indicating the hydraulic resistance generated by Echinodorus macrophyllus. The first two components extracted had eigenvalues equal to 6.74 and 3.15, accounting for the 90.03% of the total variance explained. The HCA revealed five clusters in which the second was formed by the direct measurement campaigns carried out with unsubmerged vegetation along the cross section (C2, C4 and C6). These measurements showed the lowest values, chiefly to the shear stress and bedload discharge. The last cluster was formed by the direct campaigns (C10, C11, C12 and C13) which mainly gathered the largest values of hydraulic radius, water discharge, bedload discharge and shear stress. As a result, the multivariate analysis was considered an adequate tool for evaluating the interference of unsubmerged vegetation on sediment transport of Capibaribe watershed.