Utilização de SIG para gestão de dragagens portuárias

Utilização de SIG para gestão de dragagens portuárias

(Parte 1 de 6)

Maria Elisabete Ferreira Dias

Dissertação orientada por Professor Doutor Marco Octávio Trindade Painho

Janeiro de 2005

Para expressar a minha gratidão e amizade, agradeço:

Ao Professor Doutor Marco Painho, por me ter orientado na realização desta dissertação, pelo seu apoio e voto de confiança. Pelo entusiasmo transmitido em todas as reuniões de trabalho.

Ao Dr. Gilberto Paixão, pela coorientação na realização da dissertação, apoio e, discussões permanentes. Por toda a amizade e apoio profissional.

Aos meus pais, por todo o apoio, suportando todos os custos inerentes ao desenvolvimento deste trabalho, permitindo-me ter uma licença sem vencimento para a sua conclusão.

Ao meu irmão e à Maria Aires, pelo apoio na conclusão deste trabalho.

Ao Professor José Brandão Silva pelas discussões tidas ao longo deste trabalho, sobre aspectos geológicos relevantes e, sedimentogénese costeira em geral. Pelo apoio e amizade.

Ao Eng. Alexandre Santos Ferreira, colega de trabalho no IPTM, pelas discussões várias sobre a aplicação dos SIG às actividades portuárias.

Ao Sr. José Magalhães, colega de trabalho na equipa SIG do IPTM, pelo apoio e entusiasmo transmitido em todas aquelas vezes em que me chamou de “pinguinho” e, pela paciência nas discussões “cartográficas”.

Às minhas colegas de mestrado e amigas: Madalena Mota, Helena Gomes e Paula Campos, pelos trabalhos de grupo que realizamos juntas e que contribuíram para a realização desta dissertação. Por todo o apoio, solidariedade e amizade.

Ao meu amigo Armando Pedro, pela paciência na revisão das fórmulas matemáticas apresentadas e, todas as discussões relativas aos interpoladores.

Ao Dr. João Cunha, responsável pelo desenvolvimento e implementação do sistema SIG da Delegação Sul do IPTM, por todo o apoio e sugestões nas várias discussões no âmbito dos SIG.

Ao Instituto Portuário e dos Transportes Marítimos (IPTM) que, autorizou a utilização de dados portuários para a implementação do caso de estudo, bem como a alteração do horário de trabalho durante quatro meses.

O presente trabalho pretende enunciar um método de caracterização das áreas de dragagem através do desenvolvimento e implementação de um sistema de classificação de materiais sedimentares para efeitos de operações de dragagem e gestão de materiais dragados, utilizando um sistema de informação geográfica (SIG). Um SIG permite a integração e geoprocessamento da informação geológica georreferenciada, bem como a realização de operações de análise espacial específicas. No desenvolvimento do sistema de classificação foram considerados, relativamente aos materiais dragados: os termos de realização das campanhas de amostragem, a caracterização dos sedimentos, os parâmetros físico-químicos a analisar, os limites de qualidade ambiental de cada classe de contaminação e, a aptidão ambiental para a imersão no mar. Este sistema é implementado em duas simulações distintas (uma mais expedita e simples e outra mais robusta, mas morosa) e são aplicados três métodos de interpolação (IDW, Spline, Kriging) para a estimação de valores. As superfícies geradas são analisadas comparativamente, permitindo a selecção do método de interpolação que demonstrou ser o mais ajustado, o método IDW e, a simulação de caracterização de áreas de dragagem mais adequada aos trabalhos realizados pelo IPTM, neste caso a simulação mais simples e expedita, simulação 1A. Definem-se as especificações técnicas para a implementação de um SIG no IPTM-Sede e, pela concepção global de um modelo de dados (modelo conceptual de informação geológica georreferenciada) utilizando a técnica de modelação entidade–relação, é desenhada e construída uma base de dados. O sistema de classificação foi implementado num caso de estudo (operação de dragagem no porto de Vila do Conde, situado na margem direita do rio Ave, na área do Cais das Lavandeiras), permitindo não só caracterizar a área de dragagem quanto às características ambientais dos materiais dragados (avaliação das classes de qualidade ambiental, do risco potencial de poluição do meio marinho e, da aptidão ambiental para a imersão dos dragados no mar). A análise fisiográfica da área, o cálculo de áreas de dragagem e de volumes de materiais dragados foram contemplados também no estudo efectuado.

The aim of this work is to achieve a practical method, which may be of some help in characterizing dredging areas. Based on Physical, Chemical characterization of sediments, dredged materials and dredging operations are expressed in a geographic information system (GIS), so integration and geoprocessing of geologic data can be undertaken, as well as some specific operations for spatial analysis. The proposed classification system for dredged areas, include: the terms of execution of sampling campaigns, Physical, Chemical and other property data, the quality of each contamination class, environment quality limits and suitability for disposal in the sea. This system is implemented in two distinct simulations (the first one being easy and fast and the second one robust and slow). Three methods of interpolation (IDW, Spline, Kriging) are used to estimate values. The interpolation method (IDW) was selected by evaluating and analysing, the generated surfaces for characterization of dredging areas (simulation 1A), more suited to the works accomplished under IPTM, the Portuguese authority for Shipping and Ports. The proceedings are defined for a GIS implementation within IPTM, as well as the global conception of a data model (conceptual model for geologic data) using the entity-relation technique, through the organization of a database. The classification system was implemented on a study case concerning a dredging operation in Vila do Conde harbour / Cais das Lavandeiras area, situated on the northern bank of the Ave river. This study allowed the characterization of the potential risk of pollution of marine environment at the dredging area, as well as the dredged materials suitability for disposal in the sea. It also offered us the possibility to carry out the physiographic analysis of the referred area involving the calculation of dredging areas and correlated volumes.

Áreas Portuárias Campanhas de Amostragem Dragagens Contaminantes de Sedimentos Dragados Imersão no Mar Modelo Conceptual de Informação Geográfica - Base de Dados Sistema de Informação Geográfica Sondagem Geológica

Harbours and Ports Sampling Campaigns Dredging Contaminants of Dredged Sediments Sea Disposal Geographic Information Conceptual Model - Database Geographic Information System Geologic Survey vii

BD – Base de Dados CA – Conselho de Administração CAD – Computer-Aided Design CEN – Comité Européen de Normalisation CSDGM – Content Standard for Digital Geospatial Metadata DEA – Diagrama Entidade – Associação DGA – Direcção Geral do Ambiente EAR – Entidade – Atributo – Relação ESRI – Environmental Systems Research Institute FGDC – Federal Geographic Data Committee ICN – Instituto da Conservação da Natureza IDW – Método de interpolação pelo inverso do quadrado das distâncias (Inverse Distance Weighted) IGeoE – Instituto Geográfico do Exército IGM – Instituto Geológico e Mineiro IHERA – Instituto de Hidráulica, Engenharia Rural e Ambiente IMP – Instituto Marítimo Portuário INAG – Instituto Nacional da Água IND – Instituto da Navegabilidade do Douro IPC – Instituto Portuário do Centro IPIMAR – Instituto de Investigação das Pescas e do Mar IPN – Instituto Portuário do Norte IPS – Instituto Portuário do Sul IPTM – Instituto Portuário e dos Transportes Marítimos ISEGI – Instituto Superior de Estatística e Gestão de Informação LNEC – Laboratório Nacional de Engenharia Civil NMM – Nível Médio do Mar OSPAR – Convenção Oslo-Paris PDM – Plano Director Municipal POE – Plano de Ordenamento e Expansão POOC – Plano de Ordenamento das Orlas Costeiras ISO – International Organization for Standardization SG – Sondagem Geológica SGBD – Sistema de Gestão de Base de Dados SIG – Sistema de Informação Geográfica SNIRH – Sistema Nacional de Recursos Hídricos TIN – Rede Irregular Triangulada (Triangulated Irregular Network) UNL – Universidade Nova de Lisboa ZH – Zero Hidrográfico

KRG-OS – Método de interpolação de Kriging Normal - esférico KRG-OE – Método de interpolação de Kriging Normal - exponencial KRG-OG – Método de interpolação de Kriging Normal - gaussiano KRG-OL – Método de interpolação de Kriging Normal - linear KRG-UL – Método de interpolação de Kriging Universal – linear viii

Agradecimentosi
Resumoiv
Abstractv
Palavras Chavevi
Keywordsvi
Acrónimosvii
Abreviaturasvii
Índice De Tabelasviii
Índice De Figurasviii
1. INTRODUÇÃO8
1.1 Enquadra mento8
1.2 Obje ctivos8
1.3 Hipóteses De Trabalho8
1.4 Metodologia Geral8
1.5 Esboço De Organização Da Dissertação8
2. IPTM – ESTRUTURA E ORGANIZAÇÃO8
2.1 Es trutura Orgânica8
2.2 Actividades No Âmbito Da Administração Portuária8
2.3 Avaliação Interna Das Necessidades8
OPERAÇÕES DE DRAGAGEM E GESTÃO DE DRAGADOS8
3.1 Informação Necessária No Âmbito Das Operações De Dragagem8
3.2 Amostragem De Materiais Dragados8
3.2.1Análises físicas8
3.2.2Análises químicas8
3.3 Análise Espacial - Tipo De Dados E Operações8
3.4 Modelação - Método De Classificação De Áreas De Dragagem8
3.5 Tratamento Dos Dados E Níveis De Informação8
3.6 Gerar As Superfícies De Interpolação Sobre Os Dados Originais8
3.6.1 Análise fisiográfica8
3.6.2 Simulação 1A – interpolação do valor da classe de contaminação8
3.6.3 Simulação 2A – interpolação do valor de concentração da substância química8

3. SISTEMA DE CLASSIFICAÇÃO DE MATERIAIS SEDIMENTARES PARA EFEITOS DAS 3.7 Classificar As Superfícies De Interpolação Com Base Nos Limites Das 5 Classes De

Contaminação8
contaminação8

3.7.1 Simulação 1B – classificação da superfície de interpolação do valor da classe de 3.7.2 Simulação 2B – classificação da superfície de interpolação do valor de concentração da substância química .......................................................................8

Para A Imersão No Mar8

3.8 Cálculo De Áreas E Volumes De Materiais Dragados Com E Sem Aptidão Ambiental

NO IPTM-SEDE8
4.1 Definição Do Modelo De Dados Para O Iptm8
4.1.1 Dados em formato vectorial8
4.1.2 Dados em formato raster8
4.2 ESPECIFICAÇÕES PARA A AQUISIÇÃO DE INFORMAÇÃO GEOGRÁFICA8
4.2.1 Sis tema de coordenadas8
4.2.2 Escalas e precisão8
4.2.3 Níveis de informação8
4.3 Formatos De Dados Admissíveis8
4.3.1 Informação em sig e em cad8
4.3.2 Tratam ento topológico dos dados8
4.4 Técnicas De Aquisição De Dados E Informação8
4.5 Met adados8
4.6 Qualidade Dos Dados8
4.7 Qualidade cartográfica8
5. MODELO CONCEPTUAL DE INFORMAÇÃO GEOLÓGICA8
5.1 Objectivos Da Base De Dados8
5.2 Concepção Global Do Modelo De Dados8
5.2.1 Identificação das entidades8
5.2.2 Principais listagens que a base de dados deverá permitir produzir8
5.2.2.1 Relativame nte ao promotor8
5.2.2.2 Relativame nte ao local8
5.2.2.3 Relativamente ao levantamento topo-hidrográfico8
5.2.2.4 Relativament e a profundidade8
5.2.2.5 Relativamente a sondagem geológica8
5.2.2.6 Relativame nte a litologia8
5.2.2.7 Relativamente aos ensaios geomecânicos - spt8
5.2.2.8 Relativamente a estação de amostragem8
5.2.2.9 Relativame nte a amostra8
5.2.3 Identificação das relações entre as entidades8
5.2.3.1 Relaç ões de um-para-um (1:1)8
5.2.3.2 Relações de um-para-vários (1:m)8
5.2.3.3 Relações de muitos-para-muitos (m:n)8
5.2.3.4 Diagram a entidade-relação8
5.2.4 Identificação dos atributos das entidades8
5.3 Modelação Entidade – Atributo – Relação (EAR)8
5.3.1 Normaliz ação8
5.3.2 Deriva r tabelas8
5.4 Modelo De Dados Físico8
5.4.1 Tabelas resultantes da modelação ear8

4. ESPECIFICAÇÕES TÉCNICAS PARA A IMPLEMENTAÇÃO DE UM SIG 5.4.2 Diagram a de modelação ear.....................................................................................8

CLASSIFICAÇÃO DE ÁREAS DE DRAGAGEM8

6. CASO DE ESTUDO - MODELO DE DADOS GEORREFERENCIADOS PARA A 6.1 Informação Relativa À Área Portuária De Vila Do Conde, No Âmbito Das Operações

De Dragagem8
6.2 Amostragem De Materiais Dragados8
6.2.1 Carac terísticas físicas8
6.2.2 Carac terísticas químicas8
6.3 Análise Espacial – Tipo De Dados E Operações8
6.3.1 Dados vectoriais8
6.3.2 Dados raster8
6.3.3 Oper ações8
6.4 Gerar As Superfícies De Interpolação Sobre Os Dados Originais8
6.4.1 Anális e fisiográfica8
6.4.2 Simulação 1A – interpolação das classes de contaminação8
6.4.3 1a.1) Simulação de análise espacial em folha de cálculo (aplicação excel)8

6.4.3.1 1A.1 Limites dos valores de concentração de cada substância química em

cada classe de contaminação8
6.4.3.2 1A.1B) Classificação de cada parâmetro analisado8
parâmetros classificados8

6.4.3.3 1A.1C) Classificação de cada amostra de sedimentos para o total dos

das classes de contaminação para a caracterização de áreas de dragagem8
químicas analisadas (dados em bruto), em ambiente sig8

6.4.4 1A.2) Simulação de análise espacial em ambiente sig - interpolação dos valores 6.4.5 Simulação 2A – interpolação dos valores de concentração das substâncias 6.5 Classificar As Superfícies De Interpolação Com Base Nos Limites Das 5 Classes De

Contaminação – Análise Espacial Em SIG8
substâncias químicas analisadas8
6.6 discussão dos resultados8
7. CONCLUSÕES8
7.1 Res umo8
7.2 Discussão Das Hipóteses8
7.3 Limi tações8
7.4 Trabalhos Futuros8
8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS8
ANEXOS8
Anexo 1 - Entrevistas8
Anexo 2 - Metadados8
Anexo 3 – Modelo Conceptual – Base De Dados8
Anexo 4 - Sistema De Coordenadas Utilizado Nos Projectos SIG8
Anexo 5 – Álgebra De Mapas8

6.5.1 Simulação 1B - classificação dos valores estimados de classes de contaminação8 6.5.2 Simulação 2B - classificação dos valores estimados de concentração das Anexo 6 – Apêndice............................................................................................................... 8

Tabela 1 - Orgãos do IPTM; Orgãos de Staff e Operacionais8
adaptado do Plano de Actividades 2004 do IPTM (2004)8

ÍNDICE DE TABELAS Tabela 2 - Carga movimentada no conjunto dos portos comerciais e sob administração do IPTM,

IPTM, adaptado do Plano de Actividades 2004 do IPTM (2004)8

Tabela 3 - Navios - entradas e saídas - no conjunto dos portos comerciais e sob administração do

materiais a dragar, adaptado de DC-D.R.141/1995 de 21 de Junho8

Tabela 4 - Definição do número de estações de amostragem mínimas em função do volume de

de DC-D.R.141/1995 de 21 de Junho8

Tabela 5 - Classificação de materiais dragados de acordo com o grau de contaminação, adaptado

de 21 de Junho8

Tabela 6 - Classes de qualidade dos sedimentos (material dragado), adaptado de DC-D.R.141/1995

(1999)8

Tabela 7 - Funcionalidades analíticas para análise espacial em geologia e geofísica marinha (listadas alfabeticamente) disponíveis nas aplicações sig, adaptado de WRIGHT and BARTLETT

(2001) e PRYAKANT, N. et al. (s/data)8
Tabela 9 - Classes de riscos ambientais8
Tabela 10 - Classes de aptidão ambiental8
Tabela 1 - Níveis gráficos (layers) do ficheiro CAD8
valores8

Tabela 8 - Métodos de interpolação adaptados de KIRK, K. (2003), SOARES, A. (2000); MATOS, J. Tabela 12 - Classes de qualidade dos sedimentos a dragar e valores a assinar em cada classe de

Tabela 14 - Aptidão ambiental dos materiais dragados para a imersão no mar8
Tabela 15 - Aptidão ambiental dos materiais dragados para a imersão no mar8
Tabela 16 - Informação de contexto8
Tabela 17 - Informação Estruturante8
Tabela 18 - Informação de Inventário8
Tabela 19 - Informação de Suporte8
Tabela 20 - Informação Derivada8
do IPTM8
Tabela 2 - Informação em SIG e em CAD8
Metadata) - FGDC-STD-001-19988

Tabela 13 - Risco potencial de poluição do meio marinho e, valor a assinar em cada classe de risco...8 Tabela 21 - Classificação dos níveis de informação e sua organização – estrutura da informação SIG Tabela 23 - Tabela Construída com Base na Norma CSDGM (Content Standard for Digital Geospatial

atributos relativos à morada, telefone de contacto, etc)8
Tabela 25 - A designação geográfica da área portuária8
Tabela 26 - Os dados relativos aos levantamentos topo-hidrográficos realizados pelo IPTM8

Tabela 24 - O nome e o acrónimo da Entidade promotora da actividade, (podendo ser acrescentados Tabela 27 - As profundidades de ocorrência das sequências sedimentares para cada SG, presentes nas áreas portuárias. .......................................................................................................... .................. 8 xii

as características de cada sondagem8

Tabela 28 - Os dados de cada campanha de sondagens geológicas realizada pelo IPTM, bem como

áreas portuárias8

Tabela 29 - As designações geológicas das sequências sedimentares presentes nas

realizadas pelo IMPT8

Tabela 30 - Os dados de cada ensaio de SPT, realizados nas campanhas de sondagens geológicas

química8

Tabela 31 - A localização dos locais da colheita de amostras sedimentares para análise físico-

Tabela 3 - Processo de normalização8
Tabela 34 - Tabela da entidade promotor8
Tabela 35 - Tabela da entidade local8
Tabela 36 - Tabela da entidade levantamento topo-hidrográfico8
Tabela 37 - Tabela de derivação cod_prom_loc_lev8
Tabela 38 - Tabela da entidade sondagem geológica8
Tabela 39 - Tabela de derivação cod_prom_loc_sg8
Tabela 40 - Tabela de derivação cod_levantamento_sg8
Tabela 41 - Tabela da entidade litologia8
Tabela 42 - Tabela da entidade profundidade8
Tabela 43 - Tabela de derivação cod_sg_prof_litolog8
Tabela 4 - Tabela da entidade ensaio spt8
Tabela 45 - Tabela de derivação cod_sg_spt8
Tabela 46 - Tabela da entidade estação de amostragem8
Tabela 47 - Tabela de derivação cod_prom_loc_estam8
Tabela 48 - Tabela de derivação cod_levantamento_estam8
Tabela 49 - Tabela da entidade amostra8
Tabela 50 - Tabela de derivação cod_estam_amostra8
Tabela 51 - Campanhas de amostragem realizadas no porto de Vila do Conde8
estudo8
Tabela 53 - Características químicas dos sedimentos a dragar na área de dragagem em estudo8
D.R.141/1995 de 21 de Junho8
Tabela 5 - Resultados das análises físicas8
sedimentos8
Tabela 57 - Valores a assinar em cada classe de valores8
Tabela 58 - Valor a assinar em cada classe de risco8

Tabela 32 - Os dados relativos aos valores das concentrações das substâncias analisadas nas amostras sedimentares colhidas nas estações de amostragem definidas no projecto de dragagem...8 Tabela 52 - Características físicas dos sedimentos a dragar (A) e (B) na área de dragagem em Tabela 54 - Valores dos limites inferiores das classes de contaminação, de acordo com o DCTabela 56 - Valores dos parâmetros químicos (metais e compostos orgânicos) analisados nos Tabela 59 - Valor a assinar para a aptidão ambiental............................................................................8 xiii

classes de contaminação8

Tabela 60 - Áreas de dragagem e volumes de materiais dragados, com e sem aptidão ambiental, calculados através de álgebra de mapas (modelo raster), a partir da interpolação dos valores das

contaminação8

Tabela 61 - Áreas de dragagem e volumes de materiais dragados, com e sem aptidão ambiental, calculados em modelo de dados vectorial, a partir da interpolação dos valores das classes de

concentração das substâncias químicas8

Tabela 62 Áreas de dragagem e volumes de materiais dragados com e sem aptidão ambiental, calculados através de álgebra de mapas (modelo raster), a partir da interpolação dos valores de

substâncias químicas8

Tabela 63 - Áreas de dragagem e volumes de materiais dragados, com e sem aptidão ambiental, calculados em modelo de dados vectorial, a partir da interpolação dos valores e concentração das

Tabela 64 Volumes dos materiais dragados, com e sem aptidão ambiental para a imersão no mar e, respectivas áreas de dragagem, calculados para os modelos de dados raster e vectorial..................8 xiv

http://w.imarpor.pt/main/anexos/quemsomos/org.jpg)8
Figura 2. Estrutura Organizacional do IPTM, adaptado de DIAS, E. e MOTA, M. (2003)8
Figura 3. Portos sob a jurisdição do IPTM, adaptado de Plano de Actividades 2004 do IPTM8
Figura 4. Clientes/Utentes IPTM, adaptado do Plano de Actividades 2004 do IPTM (2004)8
Figura 5. Componentes de um SIG, adaptado de CÂMARA, G. et al. (2001)8
organização de parte da informação geográfica a usar8

Figura 1. Organigrama funcional do IPTM (URL: Figura 6. Representação esquemática das principais etapas a desenvolver no IPTM, para a

metodologia8

Figura 7. Fluxograma representativo da organização da dissertação, quanto à implementação da

caso de estudo8

Figura 8. Fluxograma representativo da organização da dissertação, quanto à implementação do

sedimentos8

Figura 9. (A), (B) Amostrador, concebido pela empresa Xavi-Sub e, respectivas amostras de

adaptado de PAIXÃO, G. (2004a)8
Figura 1. Geometrias: ponto2D, amostra e polígono, adaptado de CÂMARA, G. et al. (2001)8
Figura 12. Representação geométrica da rede regular, adaptado de CÂMARA, G. et al. (2001)8
(2001)8

Figura 10. Limites máximos de concentração permitidos para a imersão no mar, de diversos países, Figura 13. Superfície e malha irregular triangular correspondente, adaptado de CÂMARA, G. et al.

adaptado de SOARES, A. (2000)8

Figura 14. Método dos polígonos de influência: o ponto xo toma o valor da amostra mais próxima, x1,

a cada um dos vértices, adaptado de SOARES, A. (2000)8

Figura 15. Método de triangulação: o valor de xo é uma média ponderada das 3 amostras/ vértices (x1,x2,x3) do triângulo que contém xo, em que os ponderadores são proporcionais à distância de xo

distâncias de cada uma das amostras a xo, adaptado de SOARES, A. (2000)8

Figura 16. Método do inverso da potência das distâncias: o valor de xo é uma média ponderada das N amostras vizinhas, em que os ponderadores são determinados pelo inverso da potência das

SOARES, A. (2000)8

Figura 17. Esquema ilustrativo do processo de interpolação espacial geoestatístico, adaptado de

WRIGHT and BARTLETT (1999)8

Figura 18. Hierarquia possível das de informação geológica e geofísica marinha, adaptado de

modelos TIN e GRID, adaptado de PRIYAKANT, N. et Al8

Figura 19. Fluxograma das operações realizadas em SIG para representar superfícies através dos

Simulação 2A8

Figura 20. Fluxograma representativo das simulações de interpolação dos valores de: classe de contaminação dos sedimentos dragados, Simulação 1A e, concentração da substância química,

Figura 21. Fluxograma representativo das simulações de classificação dos valores estimados de: classe de contaminação dos sedimentos dragados, Simulação 1B e, concentração da substância química, Simulação 2B. ......................................................................................................... ............... 8

(Parte 1 de 6)

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