Estudo da hidrodinâmica e distribuição do oxigênio

Transcrição

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO
CENTRO DE CIÊNCIAS HUMANAS E NATURAIS
DEPARTAMENTO DE ECOLOGIA E RECURSOS NATURAIS
CURSO DE GRADUAÇAO EM OCEANOGRAFIA
LARISSA COELHO MOTTA
Estudo da hidrodinâmica e distribuição do
oxigênio dissolvido da água no Canal da
Passagem, Vitória-ES utilizando modelagem
numérica.
VITÓRIA
2008
1
Estudo da hidrodinâmica e distribuição do oxigênio dissolvido
da água no Canal da Passagem, Vitória-ES utilizando
modelagem numérica.
Monografia apresentada ao curso
de graduação em Oceanografia
do Centro de Ciências Humanas e
Naturais da Universidade Federal
do Espírito Santo, como requisito
para a obtenção do título de
Bacharel em Oceanografia.
Orientador: Prof. Dr. Julio Tomás
Aquije Chacaltana.
VITÓRIA
2008
2
Estudo da hidrodinâmica e distribuição do oxigênio dissolvido da água no
Canal da Passagem, Vitória-ES utilizando modelagem numérica.
COMISSÃO EXAMINADORA
________________________________________
Prof.Dr.Julio Tomás de Aquije Chacaltana
Orientador – DEA/CT/UFES
_________________________________________
Examinador Interno- Prof.Dr.Renato Rodrigues Neto
Co-orientador – CCHN/DERN/UFES
___________________________________________
Examinador Externo – Dra. Ieda Maria O. da Silveira
VITÓRIA
2008
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Estudo da hidrodinâmica e distribuição do oxigênio dissolvido da água no
Canal da Passagem, Vitória-ES utilizando modelagem numérica.
por
Larissa Coelho Motta
Submetido como requisito parcial para a obtenção de grau de
Oceanógrafo
na
Universidade Federal do Espírito Santo
Dezembro de 2008
© Larissa Coelho Motta
Por meio deste, o autor confere ao Colegiado do Curso de Oceanografia e ao
Departamento de Ecologia e Recursos Naturais da UFES permissão para
reproduzir e distribuir cópias parciais ou totais deste documento de monografia
para fins não comerciais.
Assinatura do autor ..............................................................................................
Curso de graduação em Oceanografia
11 de dezembro de 2008
Certificado por ......................................................................................................
Prof. Dr. Júlio Chacaltana
Dr. / Orientador
DEA/CT/UFES
Certificado por .......................................................................................................
Renato Rodrigues Neto
Dr. / Co-orientador
CCHN/DERN/UFES
Certificado por ......................................................................................................
Dra. Ieda Maria O. da Silveira
Prof. Adjunto / Examinador interno
Aceito por .............................................................................................................
Valéria da Silva Quaresma
Prof. Adjunto / Coordenador do Curso de Oceanografia
CCHN/DERN/UFES
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A minha família, que sempre esteve presente,
principalmente, os meus pais, e meus irmãos
que sempre estiveram presentes em minha formação,
e ao Markin (MB), por todo apoio.
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“A gente pode tudo quando usa a imaginação
Pode ser sim, mesmo que lhe digam que não
Errar o alvo é um estímulo para se crescer
Então vamos dar um gá fazer acontecer
Relaxa”
(Arleno Farias)
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AGRADECIMENTOS
Sou grata ao professor Júlio, pela orientação, sempre me passando confiança,
e calma. Agradeço pelo apoio e pelos ensinamentos passados.
Agradeço ao professor Renato Neto, por ter aceitado ser meu co-orientador,
pela atenção dada e por tudo que me ensinou.
E a professora Ieda Maria Silveira e o professor Arno de Oliveira por aceitar o
convite de compor a banca julgadora.
Ao projeto da Facitec, por ter me cedido os dados de campo, tornando possível
a realização desse trabalho.
Aos meus pais, Aloysio e Lúcia, meus irmãos, Marina e Vinícius, pelo carinho,
apoio e compreensão nos momentos mais difíceis. E que com incentivos e
tanta paciência para me ouvir tornando possível a realização deste trabalho.
Ao pessoal do LABESUL, André, Fábio, Felipe, Gregório, Henery, Prússia,
Renata, Thiago, pelo apoio, compreensão e pelo carinho, que me deram
forças.
A Marcos Boell, MB, pelo carinho, que com tantos encorajamentos, com tanta
garra e sacrifícios me incentivaram a sempre ir à diante e prosseguir.
A Carolina Lago, por ter cedido os dados coletados no Canal da Passagem.
Às minhas amigas e amigos do curso de oceanografia (Formados e
graduandos), que estiveram comigo ao longo de todo o curso, que
compartilharam das mesmas angustias, dificuldades e desafios, pelo apoio, e
companhia, por estarem comigo em momentos tão difíceis e em outros tão
felizes.
E, principalmente, a Deus, pela realização de um sonho.
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RESUMO
Os estuários são ambientes de interface entre o mar-continente, recebendo
aportes de atividade biogeoquímica do continente, dos rios, e áreas costeiras.
Dessa forma, grande quantidade de nutrientes de fontes antropicas, junto com
a matéria orgânica, tem sido descarregada diretamente dentro dessas áreas
costeiras. Uma das principais preocupações de estudos de qualidade de água
tem sido a concentração de oxigênio dissolvido (OD), o qual é controlado por
vários processos físicos, e processos bioquímicos. A concentração de oxigênio
é um parâmetro importante para o estado ecológico nos estuários e para a vida
aquática, pois indica o quão a água é aerada, sendo um indicador imediato. O
objetivo principal deste estudo foi de contribuir para o conhecimento da
hidrodinâmica e a distribuição de oxigênio dissolvido no Canal da Passagem
tendo como forçantes a maré astronômica e uma vazão média do Rio Santa
Maria da Vitória. Não foram considerados efeitos dos ventos, da vegetação de
manguezal, dos efluentes da estação de tratamento de esgoto, demanda
sedimentar, demanda bioquímica, respiração e fotossíntese. A metodologia
baseou-se na utilização do modelo computacional DIVAST (Depth Integrated
Velocity and Solute Transport) para a realização de simulações do
comportamento hidrodinâmico e de oxigênio dissolvido da área de estudo. Os
resultados obtidos pelo modelo mostram que a maior contribuição de oxigênio
dissolvido para a região é devido ao Rio Santa Maria da Vitória, e muito pouca
influência da região oceânica. Dessa forma a região do extremo norte e norte
do Canal apresenta valores altos comparados com os estudos feitos na região.
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LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Região de Estudo. A- Ilha do Lameirão; B- Rio Santa Maria da
Vitoria; C- Baía de Vitória; D- Baía do Espírito Santo, E- Ilha de Vitória, Fefluente da estação de tratamento de esgoto ETE-Mumlembá, G- Bairro Maria
Ortiz. ................................................................................................................. 32
Figura 2- Representação da malha computacional de espaçamento 25 m x 25
m e as localizações dos contornos abertos utilizada no estudo. ...................... 36
Figura 3- Disposição das estações amostrais ao longo do Canal da Passagem.
......................................................................................................................... 37
Figura 4- Gráfico de elevação da superfície para a estação 46. ...................... 38
Figura 5- Gráfico do módulo da velocidade para a estação 46. ....................... 39
Figura 6- Gráfico da magnitude de velocidade e elevação da superfície para a
estação 46 no período de sizígia. A linha azul representa a elevação da
superfície (m), e a linha vermelha representa a magnitude da velocidade (m/s).
......................................................................................................................... 40
Figura 7- Gráfico da magnitude de velocidade e elevação da superfície para a
estação 46 no período de quadratura. A linha azul representa a elevação da
superfície (m), e a linha vermelha representa a magnitude da velocidade (m/s).
......................................................................................................................... 41
Figura 8- Gráfico da elevação da superfície medido pelo ADCP para um ponto
localizado próximo a estação 46 no período de sizígia para o dia 25/03/2008. 42
Figura 9- Gráfico da magnitude da velocidade e direção, medido pelo ADCP
para um ponto localizado próximo a estação 46 no período de sizígia para o dia
25/03/2008. ...................................................................................................... 42
Figura 10- Campo de velocidade após 635h de simulação (maré de
quadratura). (a) Extremo norte do Canal, (b) Região norte do Canal. As setas
vermelhas indicam a magnitude da velocidade da maré, e o seu sentido. Em
destaque, locais de baixa hidrodinâmica (centro), e maré vazante. ................. 45
quadratura). (c) Região do meio do canal, (d) Estreitamento da Ponte da
Passagem, (e) Região sul. As setas vermelhas indicam a magnitude da
velocidade da maré, e o seu sentido. Em destaque, maré vazante. ................ 46
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quadratura). (a) Extremo norte do Canal, (b) Região norte do Canal. As setas
vermelhas indicam a magnitude da velocidade da maré, e o seu sentido. Em
destaque, maré de enchente(a e b), locais de baixa hidrodinâmica (b). .......... 47
quadratura). (c) Meio do Canal, (d) Região do estreitamento da Ponte da
Passagem. As setas vermelhas indicam a magnitude da velocidade da maré, e
o seu sentido. Em destaque, locais de baixa hidrodinâmica (c), formação de
vórtices e maré enchente(d). ............................................................................ 48
Figura 14- Campo de velocidade após 778h de simulação (maré de sizígia). (a)
Extremo norte do Canal, (b) Região norte do Canal. As setas vermelhas
indicam a magnitude da velocidade da maré, e o seu sentido. Em destaque,
maré de enchente. ........................................................................................... 49
Figura 15- Campo de velocidade após 778h de simulação (maré de sizígia). (c)
Região do meio do Canal, (d) Estreitamento da Ponte da Passagem, (e) Região
sul do Canal. As setas vermelhas indicam a magnitude da velocidade da maré,
e o seu sentido. Em destaque, locais de baixa hidrodinâmica (c), formação de
vórtices (d) maré enchete (c e d)...................................................................... 50
Figura 16- Campo de velocidade após 784h de simulação (maré de sizígia). (a)
Extremo norte do Canal, (b) Região norte do Canal. As setas vermelhas
maré de vazante(a e b) local de baixa hidrodinâmica no centro (b), mudança
do sentido (b). .................................................................................................. 51
Figura 17- Campo de velocidade após 784h de simulação (maré de sizígia). (c)
Região do meio do Canal, (d) Região sul do Canal. As setas vermelhas
locais de baixa hidrodinâmica. ......................................................................... 52
Figura 18- Distribuição espacial e temporal do oxigênio dissolvido obtido em
campo. ............................................................................................................. 56
Figura 19- Distribuição espacial e temporal do oxigênio dissolvido obtido pelo
modelo no período de sizígia para as estações correspondentes aos pontos do
campo. ............................................................................................................. 57
Figura 20- Distribuição de oxigênio dissolvido no período de baixa-mar no
sistema estuarino de Vitória na quadratura após a simulação de 626h. .......... 59
Figura 21- Distribuição de oxigênio dissolvido no período de preamar no
sistema estuarino de Vitória na quadratura após a simulação de 632h. .......... 60
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Figura 22- Distribuição de oxigênio dissolvido na quadratura no sistema
estuarino de Vitória após a simulação de 635h. Os quadrados vermelhos
indicam os pontos do campo do dia 25/03/2008. ............................................. 61
Figura 23- Distribuição de oxigênio dissolvido na quadratura no sistema
estuarino de Vitória após a simulação de 641h. Os quadrados vermelhos
indicam os pontos do campo do dia 25/03/2008. ............................................. 62
Figura 24- Distribuição de oxigênio dissolvido na sizígia no sistema estuarino
de Vitória após a simulação de 778h. Os quadrados vermelhos indicam os
pontos do campo do dia 25/03/2008. ............................................................... 63
Figura 25- Distribuição de oxigênio dissolvido no período de preamar no
sistema estuarino de Vitória na sizígia após a simulação de 781h. ................. 64
Figura 26- Distribuição de oxigênio dissolvido na sizígia no sistema estuarino
de Vitória após a simulação de 784h. Os quadrados vermelhos indicam os
pontos do campo do dia 25/03/2008. ............................................................... 65
Figura 27- Distribuição de oxigênio dissolvido no período de baixa-mar no
sistema estuarino de Vitória na sizígia após a simulação de 787h. ................. 66
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Sumário
1. Introdução ............................................................................................................................. 12
2. Objetivos ................................................................................................................................ 15
2.1. Objetivo geral ................................................................................................................ 15
2.2. Objetivos específicos ................................................................................................... 15
3. Fundamentação Teórica ..................................................................................................... 16
3.1. Estuários ........................................................................................................................ 16
3.2. Marés .............................................................................................................................. 16
3.3. Influência do manguezal na hidrodinâmica .............................................................. 17
3.4.Importância dos estudos de oxigênio dissolvido....................................................... 20
3.3. Modelo Divast ................................................................................................................ 24
3.3.1. Equações Hidrodinâmicas ................................................................................... 24
3.3.2. Equações para o transporte de constituintes:................................................... 26
3.3.3.Método de solução das equações matemáticas ............................................... 28
3.3.4. Critérios para implantação de modelos numéricos .......................................... 29
4. Metodologia........................................................................................................................... 30
4.1. Descrição da Área de Estudo ..................................................................................... 30
4.2.Dados Experimentais .................................................................................................... 33
4.3. Implantação do Modelo Numérico ............................................................................. 34
4.3.1. Malha Computacional ........................................................................................... 34
4.3.2. Dados de entrada do Modelo .............................................................................. 34
4.3.3. Condições iniciais e de Contorno ....................................................................... 35
4.3.3. Calibração e validação ......................................................................................... 36
5. Resultados e discussão ...................................................................................................... 37
6. Conclusões ........................................................................................................................... 67
7. Recomendações Futuras .................................................................................................... 68
8. Referências ........................................................................................................................... 69
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1. Introdução
Dentre os componentes da paisagem costeira podem ser destacados os
estuários e os seus ecossistemas associados. Os estuários com suas florestas
de mangue servem de habitat para diversos animais e apresentam condições
ideais para alimentação, proteção e reprodução, sendo assim zonas de grande
produtividade biológica.
Os estuários são ambientes bastante frágeis, o que os tornam altamente
vulneráveis, podendo ser amplamente modificados quali-quantitativamente, se
houver alterações abruptas em algumas das suas características físicoquímicas e biológicas, tais como salinidade, temperatura, oxigênio dissolvido,
pH, coliformes fecais e totais, dentre outros.
A dinâmica dos estuários é
particularmente complexa, devido às influências dos rios, bem como das marés
e por causa dessas complexidades esses ecossistemas nem sempre são
estudados de forma eficiente.
Machado (1994 apud MACIEL, 2004) relatou que as regiões costeiras vêm
tendo um avançado processo de desenvolvimento econômico, juntamente com
a ocupação desgovernada de seus ecossistemas e o uso incorreto do solo.
Exemplos são a utilização dos cursos d’água como receptores de efluentes
domésticos e industriais, vazamentos de óleos de embarcações, soterramento
de áreas de manguezais e a construção de barragens e regularização de
vazões para geração de energia elétrica. Isto compromete o equilíbrio e a
dinâmica das regiões estuarinas reduzindo a qualidade da água e a carga
sedimentar.
O canal que interliga a Baía de Vitória e a Baía do Espírito Santo é a região de
estudo desse trabalho. O Canal da Passagem assim denominado recebe
despejo de esgotos domésticos in natura ou com tratamento inadequado
apresentando entre outros problemas elevados valores de coliformes fecais
(BARROSO & DIAS, 1997; CASTRO, 2001 e ANDRADE, 2007), diminuição
das condições de balneabilidade das praias do entorno (ROCHA, 2000;
MACIEL, 2004 e ANDRADE, 2007), além de alterações significativas na sua
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geometria devido à ocupação urbana de suas margens de forma desordenada
(GUIMARÃES, 1995).
Desse modo, o padrão de escoamento e o comportamento de constituintes
vêm sendo estudados para melhor compreensão dessa região, dentre os
estudos pode-se citar os trabalhos de Rigo & Sarmento (1993), Guimarães
(1995), Donatelli (1998), Rocha (2000), Castro (2001), Barros (2002), Maciel
(2004), Neto et.al (2006), Andrade (2007) e Garção (2007). Entende-se como
constituinte da água um ente que descreve de alguma forma o estado da
qualidade do meio em que ele se encontra. Exemplos de constituintes são o
oxigênio dissolvido, a temperatura, os metais pesados, os coliformes fecais,
salinidade.
Em regiões que recebem aporte de esgoto in natura, a demanda por oxigênio
dissolvido na água é maior devido à presença de microorganismos
decompositores sendo especialmente importante em regiões de manguezal
onde grande quantidade de matéria orgânica é produzida naturalmente.
A determinação do oxigênio dissolvido (OD) é de fundamental importância para
avaliar as condições naturais da água e detectar impactos ambientais, como
eutrofização e poluição orgânica. Suas principais fontes são o gás carbônico,
oxigênio molecular e a própria água, além dos íons nitrato e sulfato
(BAUMGARTEN et.al, 1996). A concentração de oxigênio dissolvido depende
da composição dos sedimentos, da temperatura, salinidade da água que altera
a solubilidade do composto e de fatores hidrodinâmicos como velocidade do
escoamento e vento.
Dessa forma o conhecimento da hidrodinâmica da região é de grande
importância, pois ela é resultado de diversas interações, tais como: a maré,
descarga de rios, o vento, a planície de maré, a fricção com a vegetação de
manguezal, fricção com fundo, entre outros.
Para caracterizar o ambiente estuarino com relação ao comportamento de
constituintes tem-se utilizado modelos numéricos. Esses modelos, desde que
devidamente calibrados, possibilitam determinar mudanças de intensidade e
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direção da velocidade da massa d’água das regiões estudadas e,
conseqüentemente, a trajetória que um determinado constituinte poderá
percorrer, ao ser lançado sob certas condições. Através de simulações o
modelo, geralmente, busca reproduzir os eventos que ocorrem na natureza.
Este trabalho visa conhecer melhor a hidrodinâmica da região do Canal da
Passagem e qualidade da água com relação a concentração de oxigênio
dissolvido. A hidrodinâmica e o oxigênio dissolvido que ocorre na região do
Canal da passagem são avaliados através de simulações numéricas realizada
com o modelo numérico do tipo águas rasas chamado Depth Integrated
Velocity and Solute Transport (DIVAST).
Pela complexidade da região
estuarina e a falta de informações de parâmetros físico-químicos de qualidade
são considerados apenas os efeitos de maré como forçante principal da
hidrodinâmica do Canal. Neste trabalho desconsiderou-se o efeito do
manguezal e fontes de lançamento de esgoto doméstico. Os principais
processos que ocorrem no cálculo do oxigênio dissolvido são reaeração,
demanda bioquímica e sedimentar, respiração e fotossíntese.
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2. Objetivos
2.1. Objetivo geral
Contribuir para o conhecimento da hidrodinâmica e a distribuição do oxigênio
dissolvido no Canal da Passagem, Vitória-ES, através do uso de simulação
numérica.
2.2. Objetivos específicos
- Avaliar a hidrodinâmica do Canal da Passagem, considerando como única forçante a
maré astronômica.
-
Avaliar a distribuição de oxigênio dissolvido da água do Canal da Passagem,
considerando os principais processos como reaeração, demanda bioquímica e
sedimentar, oxidação de compostos químicos (amônia, nitrito, nitrato).
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3. Fundamentação Teórica
3.1. Estuários
Os estuários são sistemas extremamente dinâmicos, que se movem e mudam
constantemente em resposta aos ventos, às marés e ao escoamento do rio, por
isso requer um conhecimento dos processos físicos, químicos e biológicos que
nele ocorrem, provendo, assim, meios de caracterizar a sua qualidade da água.
A definição de um estuário pode variar com as características e processos que
o governam. A definição física clássica de Pritchard do ano de 1952, “um
estuário é um corpo de água costeiro semi-fechado que tem uma conexão livre
com o oceano aberto, e dentro da qual águas oceânicas são mensuravelmente
diluídas com água doce derivadas da drenagem do solo.”
Os estuários podem ser classificados como proposto por Dyer (1997) conforme
a intrusão salina como: estuários de cunha salina, parcialmente misturado e
bem misturado.
No estuário de cunha salina a mistura entre a água do rio e do mar é pouco
intensa uma vez que a água do mar é mais densa que a água do rio e a
energia e velocidade nesse meio são baixas logo, o perfil vertical apresenta
uma diferença acentuada de salinidade. No estuário parcialmente misturado, a
mistura entre água doce e salgada é muito mais intensa e o aumento da
salinidade se dá de maneira gradativa tanto na escala horizontal quanto na
vertical. Os estuários bem misturados apresentam o perfil vertical de salinidade
homogêneo variando somente no perfil horizontal onde a salinidade é mais alta
próxima à região oceânica e mais baixa próxima a desembocadura do rio
(SILVA et al, 2004).
3.2. Marés
As marés constituem uma conseqüência de ações simultâneas das forças
gravitacionais lunar, solar e terrestre, e do ciclo relativo a um adicional da Terra
e Lua e da Terra e Sol (PICKARD & POND, 1983; BROWN et al., 1999).
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Maré astronômica é a denominação dada à subida e descida alternada do nível
do mar e é considerada como uma onda de grande período e comprimento,
comportando-se como onda de água rasa (profundidade dos oceanos é menor
do que um vigésimo de seu comprimento). Seu período médio é de 12,4 h, no
caso de marés semidiurnas, ou de 24,8 h, quando se trata de uma maré diurna.
Os componentes da maré semidiurna mais importantes são os constituintes M2
e S2, pois controlam o ciclo da sizígia – quadratura (PICKARD & POND, 1983;
BROWN et al., 1999).
As marés, que são observadas nas zonas costeiras, resultam do empilhamento
e amplificação das marés oceânicas, à medida que estas se movem sobre a
plataforma continental e para dentro dos estuários e baías (SILVA et. al., 2004).
Os movimentos horizontais da coluna d’água na forma de corrente de maré
causam mudanças no nível das águas, assim, a enchente e vazante próximas
à costa são principalmente uma conseqüência da convergência e divergência,
que ocorrem quando as correntes de maré escoam, resultando na inundação
periódica das planícies de maré e manguezais (SILVA et. al., 2004).
A onda da maré que penetra o estuário é modificada como resultado de
mudanças da largura e profundidade, do aumento da fricção ocasionada pelo
fundo e pela planícies de maré (áreas alagáveis) e do fluxo do rio para o mar.
Essa modificação resulta na distorção da maré onde a crista viaja mais rápido
que a cava. (DRONKERS, 1986; FRIEDRICHS & AUBREY, 1988).
3.3. Influência do manguezal na hidrodinâmica
Vários são os fatores que oferecem resistência ao escoamento dentre eles
pode-se citar segundo French (1986): rugosidade da superfície (comprimento e
forma dos grãos), vegetação (altura, densidade, distribuição, rigidez e tipo e
vegetação), obstrução (bloqueios devido a queda de árvores, pontes),
sinuosidade (curvas suaves têm menor influência no retardamento do
escoamento), e vazão. Em modelagens numéricas nestes ambientes, a
influência de cada um destes fatores é de fácil determinação. O problema está
18
em representar a influência de mais de um fator em um só coeficiente
(MACIEL, 2004).
A rugosidade do fundo do canal, a fricção do mangue e o estreitamento do
canal afetam o escoamento em canais sob a ação de marés com planície de
mangue (WU et al, 2000). A presença de uma rede de raízes densa e extensa,
pode ser considerada como um aumento na rugosidade do leito para o
escoamento da água (AUGUSTINUS,1996).
O volume de estocagem de água na região entre-marés é grande comparado
com o volume de água do canal em regiões que apresentam extensas áreas
alagáveis, como as planícies de maré (EISMA, 1998 apud BARROS, 2002).
Desta forma, a propagação da maré nessas regiões é mais lenta próximo a
preamar, devido ao atrito na região, contudo próximo a baixa-mar a maré se
propaga predominantemente nos canais principais, onde o atrito é menor. E
segundo Augustinos (1996), a velocidade no canal principal pode ser dez vezes
maior que na planície de maré. Isto resulta, com relação ao tempo, em marés
vazantes menores que as marés enchentes, apresentando velocidades
maiores durante a vazante – dominância de vazante (DRONKERS, 1986;
FRIEDRICHS & AUBREY, 1988; RIGO et al, 1993).
Este comportamento indica conforme, Wolanski et al.(1980) e Barros (2002),
que a presença das características geomorfológicas é um importante fator no
controle da hidrodinâmica dessas regiões, devido à resistência ao escoamento
provocada pelo atrito com a vegetação, e que qualquer tipo de alteração sejam
antrópicas ou naturais, irão influenciar no meio.
A influência do manguezal é notada no estudo realizado por Chacaltana et
al.(2003), onde os resultados numéricos mostraram que a região alagada do
manguezal tem uma influência importante nas correntes, pois quando não se
considerou o alagamento, os valores de velocidade obtidos tiveram um
aumento de até 45%.
Wolanski et al. (1980) usaram um modelo numérico, bidimensional e integrado
na vertical, HYDRO, para estudar o padrão de escoamento em regiões com a
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presença do manguezal. Verificou-se que tanto na região da floresta de
manguezal, quanto na área permanentemente alagada, as correntes induzidas
pela maré variam consideravelmente em direção e intensidade com a maré, e
que o arrasto provocado pela vegetação foi responsável pela assimetria da
maré, onde as velocidades máximas da corrente nos canais são de 20 a 50%
maiores na vazante do que na enchente.
Mazda et al., (1995) usaram um modelo bidimensional para investigar a
assimetria de maré induzida pela vegetação de manguezal. A região de
aplicação do modelo foi idealizada. Os autores apontaram que o arrasto é o
principal mecanismo no controle das velocidades e da elevação do nível da
água da região.
Wu et al., (2000), através de um modelo matemático bidimensional integrado
na profundidade, modelaram a influência da vegetação de mangue no
escoamento da área da seção transversal. Neste modelo foi incluído os efeitos
da força de arrasto induzidos por árvores dos manguezais e os efeitos de
bloqueio nos fluxos de massa através das florestas dos manguezais. Foram
estudadas duas situações: (i) o fluxo constante no canal, com as árvores dos
manguezais distribuídas no meio da extensão do canal ao longo de ambos os
lados, e (ii) o fluxo de maré direto em um canal, franjada por manguezais
alagados. Os autores constataram que as árvores dos manguezais têm um
impacto significativo na estrutura do fluxo em um sistema de manguezal. A
força de arrasto induzida pelas árvores dos manguezais, e o bloqueio das
árvores dos manguezais apresentam um importante papel, quando a
porosidade das árvores dos manguezais é menor que 0,8.
Furukawa et al.(1997), estudaram as correntes de maré, e a dinâmica coesiva
do sedimento e do transporte do carbono orgânico em um manguezal
altamente vegetado, localizado em Middle Creek, Cairns, Austrália. A interação
de correntes de maré e a vegetação geraram jatos, redemoinhos e zonas das
águas estagnadas que foram modeladas numericamente. Um elevado valor do
coeficiente de fricção Manning (n=0·1) foi devido à densa vegetação. Os
autores observaram, que aproximadamente 80% do sedimento em suspensão
20
trazido na maré enchente fica retido nos manguezais, e que havia uma
indicação ligeira de um inwelling do carbono orgânico.
3.4.Importância dos estudos de oxigênio dissolvido
Os estuários são ambientes de interface entre o mar-continente, recebendo
aportes de atividade biogeoquímica do continente, dos rios, e áreas costeiras.
Com o rápido desenvolvimento da indústria e agricultura, grande quantidade de
nutrientes de fontes antropogênicas, junto com a matéria orgânica, têm sido
descarregadas diretamente dentro das áreas costeiras, como os estuários. A
eutrofização resultante do excesso de nutriente, freqüentemente causa um
bloom de algas nocivas, o qual são acompanhados pela depleção de oxigênio,
toxicidade, mortalidade de peixes e organismos bentônicos.
Nas últimas três décadas, a maioria dos estuários e águas costeiras tem
sofrido mudanças na qual passaram de ecossistemas balanceados e
produtivos para sistemas com mudanças tróficas repentinas, alterações
biogeoquímicas e deterioração da qualidade do meio.
Uma das principais preocupações de estudos de qualidade de água tem sido a
concentração de oxigênio dissolvido (OD), o qual é controlado por vários
processos físicos, e processos bioquímicos (ZHENG et al, 2004; LOPES &
SILVA, 2006 ). Os processos físicos incluem advecção de correntes e mistura
turbulenta.
Os processos bioquímicos são a respiração, fotossíntese, e
oxidação, devido à demanda bioquímica de oxigênio (DBO), nitrificação,
demanda sedimentar de oxigênio (DSO), respiração do fitoplâncton e
bacterioplâncton (ZHENG et al, 2004). A concentração de oxigênio é um
parâmetro importante para o estado ecológico nos estuários e para a vida
aquática, pois indica o quão a água é aerada, sendo um indicador imediato.
O oxigênio nos ambientes aquáticos é produzido pela fotossíntese de algas e
plantas, e consumido pela respiração dos seres vivos (plantas, animais,
bactérias), pelo processo de degradação da demanda bioquímica de oxigênio
(DBO), demanda sedimentar de oxigênio (DSO) e pela oxidação de compostos
químicos (LOPES & SILVA, 2006), sendo aereado através da interface água-
21
atmosfera (GAO &SONG, 2008). Quando a concentração de oxigênio cai
abaixo do nível de saturação o déficit é compensado pela transferência do gás
da atmosfera através da interface ar-água, dessa forma a re-aeração age como
uma fonte de OD. Ao contrário, quando a concentração de oxigênio é maior
que o nível de saturação, a supersaturação é reduzida pela transferência da
coluna d´água para o ar, sendo a re-aeração um sumidouro de OD.
A habilidade da água de reter oxigênio depende da salinidade, temperatura,
hora do dia, estação do ano entre outros (GAO & SONG, 2008). O oxigênio não
é muito solúvel na água, sendo menos solúvel na água salgada. Águas de
elevada temperatura não conseguem reter muito oxigênio como águas mais
frias. Contudo, altos níveis de OD na água são retidos durante meio-dia isto
deve-se à produção fotossintética, quando a noite cai a fotossíntese para, e os
níveis de OD caem devido ao processo de respiração.
Os níveis de OD também são afetados pela profundidade. Diferenças de
temperatura em diferentes profundidades, afetam o quanto de oxigênio a água
pode reter. O oxigênio é incapaz de alcançar altas profundidades, resultando
assim em altos níveis de OD na superfície e baixos no fundo (GAO & SONG,
2008).
A disponibilidade de nutriente pode alterar os níveis de OD. O excesso de
nutriente (eutrofização) leva a um aumento do fitoplâncton, e quando este
morre, a decomposição dos compostos carbonáceos utiliza o oxigênio do meio
reduzindo sua concentração (GAO & SONG, 2008). Lopes & Silva, (2006)
apontam que a fixação do carbono orgânico é uma fonte importante para OD
na coluna d´água, sendo proporcional a densidade e taxa de crescimento de
fitoplâncton.
No estudo realizado por Gao & Song (2008), o principal fator que influencia na
distribuição espacial do OD é a fotossíntese fitoplanctônica.
Condições de hipoxia e anoxia são uma conseqüência direta do excesso de
nutriente, sendo o fator estressante mais notável da biota aquática estuarina e
costeira. Sob condições limitadas de oxigênio, as taxas de re-mineralização de
nitrogênio e fósforo, e redução do sulfato aumentam (LIBES, 1992). Segundo
22
Benoit et al. (2006), a hipoxia pode ser um fenômeno sazonal, ocorrendo no
final do verão e permanecendo por poucos dias em estuários e fjords ou meses
na plataforma.
Os modelos de qualidade de água têm sido uma ferramenta essencial, para um
gerenciamento efetivo dos sistemas de estuários e para um plano e otimização
do regime de efluentes. Hoje em dia os modelos são focados no balanço de
oxigênio dissolvido no estuário. Este balanço depende da degradação dos
compostos de nitrogênio e orgânicos de carbono, fotossíntese, respiração do
fundo/ re-suspensão dos sedimentos orgânicos, e re-aeração.
Shen et al (2002) utilizaram um modelo tridimensional, que emprega o método
das diferenças finitas, para simular a variação da qualidade da água no
ecossistema da Baía de Hakata, Japão. Os parâmetros considerados foram
temperatura, salinidade, oxigênio dissolvido, sólidos suspensos, nitrogênio
orgânico, nitrato e clorofila a. Chao et al ( 2007) desenvolveram um modelo de
qualidade de água tridimensional baseado no método numérico de elementos
finitos. Além dos parâmetros de água (OD, nutrientes, fitoplâncton), o modelo
calcula também o efeito do sedimento nestas variáveis, simulando os
processos de adsorção e liberação de nutrientes do sedimento de fundo,
estimando a influência da concentração de sedimentos suspensos na
intensidade da luz e, conseqüentemente, o crescimento do fitoplâncton.
Utilizando um modelo bidimensional composto por um sistema de coordenadas
ortogonais curvilíneas e baseado em soluções de diferenças finitas, Chau & Jin
(1999) simularam satisfatoriamente o transporte e a transformação de nove
parâmetros de qualidade de água (demanda bioquímica de oxigênio, nitrogênio
orgânico,
amônia,
nitrito,
fósforo
orgânico,
ortofosfato,
fitoplâncton
e
zooplâncton).
Para predizer a variação do OD em estuários, Borsuk et al (2001) aplicaram
simples modelos probabilísticos, os quais são principalmente baseados em
relações estatísticas entre concentrações de OD e dados de campo coletados
no estuário em questão. O modelo estatístico usado (GAM) explorou as
principais relações entre a concentração de oxigênio do fundo, a estratificação
23
vertical e temperatura do estuário de Neuse River, Carolina do Norte. Um outro
tipo de modelo que prediz a variação do OD em estuários é baseado em
modelos de simulação dinâmica, este tipo de modelo usualmente começa com
equação de conservação de massa, onde as fontes e sumidouros de oxigênio
são expressos explicitamente (BORSUK et al, 2001).
Lopes & Silva (2006) utilizaram um modelo bidimensional que resolve a
equação de transporte integrada verticalmente. O modelo foi acoplado a um
modelo hidrodinâmico através da equação do transporte, e foi integrado no
módulo de qualidade de água, resolvendo, dessa forma as propriedades do
escoamento (advecção e difusão), os processos básicos que ocorrem na
coluna d´água resultado da interação entre as correntes e o fundo, e as
principais interações bioquímicas. O modelo foi aplicado para predizer as
concentrações de nutrientes inorgânicos, clorofila-a e oxigênio dissolvido (OD)
da laguna Ria de Aveiro, Portugal. Ambos os resultados do modelo e dados
coletados apontaram que a distribuição do OD na laguna é controlada pelo
transporte de maré, visto que a concentração permanece relativamente alta e
próxima dos valores oceânicos. Contudo, na região final da laguna, onde a
região de entre-marés é importante, a concentração de OD é afetada pela reaeração, pelos processos de enchente/vazante sobre a região de entre-marés,
atividade fitoplanctônica, processos de nitrificação e oxidação da matéria
orgânica.
Gao & Song (2008) descreveram a distribuição espacial do oxigênio dissolvido
no Estuário de Changjiang ao longo de quase todo gradiente de salinidade e
variação diurna em dois locais representativos, além de estimar os fluxos de
oxigênio entre o ar-mar, e os principais fatores de impacto no OD.
Benoit et al (2006) usaram um modelo bidimensional integrado lateralmente de
oxigênio dissolvido, para verificar a possível causa da depleção de oxigênio ao
longo do baixo estuário St. Lawrence, Canadá. O transporte de fluido foi
parametrizado em um grid de advecção-difusão de elementos finitos, onde a
sedimentação da matéria orgânica alimenta o processo que leva à depleção de
oxigênio em águas profundas. Observou-se que na profundidade de 50m há
24
presença de águas hipóxicas devido ao efeito cumulativo da demanda
sedimentar de oxigênio. O modelo representou bem a entrada de oxigênio do
fundo e os fluxos ao longo do Golfo de St Lawrence, mas superestimou a
demanda sedimentar de oxigênio no baixo estuário St Lawrence. Stanley &
Nixon (1992) constataram que a hipoxia no Estuário Pamlico River se
desenvolve somente quando estratificação e temperatura quente da água
ocorrem concomitantemente. A estratificação inibe o fluxo de oxigênio de
águas superficiais, devido à redução da mistura vertical. A temperatura da água
não somente reduz a saturação de oxigênio na coluna d´água, mas também
aumenta a DBO e DSO. Borsuk et al (2001) e Benoit et al (2006) identificaram
também uma boa correlação entre estratificação vertical, temperatura quente, e
hipoxia da água de fundo.
3.3. Modelo Divast
3.3.1. Equações Hidrodinâmicas
O DIVAST (Depth Integrated Velocity and Solute Transport), modelo numérico
utilizado nesse estudo, foi desenvolvido por Falconer (1976) e escrito em
linguagem Fortran 77. É um modelo bidimensional horizontal integrado na
vertical
(2HD),
portanto
aplica-se
para
regiões
em
que
o
fluxo
é
predominantemente horizontal com boa mistura vertical, ou onde as variações
verticais no fluxo são insignificantes. Este modelo simula a distribuição das
correntes, elevação da superfície da água e alguns parâmetros de qualidade de
água em função do tempo.
Em modelos matemáticos hidrodinâmicos, para se descrever o escoamento da
região em estudo é utilizado um conjunto de equações normalmente
acopladas, não-lineares e que raramente possuem solução analítica conhecida.
A resolução desse sistema de equações é feita através de técnicas numéricas,
que consistem basicamente: (i) na representação de um domínio do continuo
em um domínio discreto, (ii) na representação das equações diferenciais
parciais (EDP) em equações algébricas pelo uso de um método numérico como
diferenças finitas, volumes finitos, elementos finitos, (iii) elaboração de código
computacional usando linguagem de máquina (FORTRAN).
25
Os processos físicos do movimento d’água são baseados na equação de
conservação de massa e da quantidade de movimento sendo estas expressas
pelas
equações
de
Navier-Stokes.
Nestas
equações
são
feitas
as
aproximações das tensões de Reynolds que são parametrizadas pelos
coeficientes de viscosidade turbulenta, e a aproximação de onda longa que
permite a média na vertical das variáveis dependentes. As equações 1 e 2
representam respectivamente a conservação da quantidade de movimento
para o eixo x e y . Os processos incluídos nas equações resultantes são: (a)
aceleração local, (b) aceleração advectiva, (c) rotação da Terra (aceleração de
Coriolis), (d) gradiente de pressão (aceleração devido a variação do nível
d’água), (e) tensões provocadas pelo vento, (f) atrito com o fundo e (g) tensões
turbulentas.
Eq.1
Eq.2
A equação da conservação de massa quando integrada na vertical, reduz a seguinte
forma:
Eq.3
onde:
U,V – velocidades média na vertical nas direções x, e y respectivamente (m/s);
t- tempo (s); β- fator de correção do momentum para um perfil de velocidade
vertical não-uniforme sendo igual a 1,016; f- coeficiente de Coriolis (dado por
26
f=2ωsenφ, sendo ω=7,27.10-5rad.s-1 a velocidade angular de rotação da Terra e
φ a latitude local); H- profundidade total da água (m) (H=η+h; h é a
profundidade abaixo do nível médio); g- aceleração devido a gravidade (9,806
m/s2); η -elevação da superfície da água em relação o nível médio (m); ρamassa especifica do ar (≈1,292 kg/m3); ρ- massa especifica da água
(1024kg/m3); Cw- Coeficiente de resistência ar/fluido (adimensional); W x,W yComponentes da velocidade do vento na superfície nas direções x e y,
respectivamente (m/s); C- Coeficiente de Chezy (m1/2/s); ε- viscosidade
turbulenta integrada na vertical;
O esquema de turbulência utilizado considera a hipótese de Boussinesq
associada à teoria do comprimento de mistura de Prandtl. Assim, simula
apenas a turbulência gerada pela fricção de fundo, desconsiderando a gerada
pelo cisalhamento interno, sendo válida para áreas rasas e bem misturadas.
Dessa forma o parâmetro ε (a viscosidade turbulenta integrada na vertical)
pode ser representado pela expressão abaixo (FALCONER, 1994):
onde, Ce- coeficiente de viscosidade turbulenta, com
valor aproximado de 1 para escoamentos em regiões costeiras; C- coeficiente
de rugosidade de Chézy (m1/2/s).
3.3.2. Equações para o transporte de constituintes:
Os processos físico-químicos no transporte de constituintes para estudos de
qualidade da água são inseridos na conservação da substância. A Equação de
Transporte de Solutos, também conhecida como Equação da AdvecçãoDifusão para um constituinte (S) é integrada ao longo da vertical descrevendo o
valor médio dos poluentes ao longo da profundidade.
Eq.4
onde:
27
S- concentração média do poluente na vertical; Dxx , Dxy , Dyx , Dyy -coeficientes
de dispersão-difusão médios ao longo da
vertical nas direções x e y
respectivamente (m2/s); Φs- Função que pode ser usada para representar
fontes, sumidouros e/ou reações cinéticas.
No caso desse estudo, Φs caracteriza fontes ou sumidouros internos dos
componentes de qualidade de água relacionados com os principais processos
de qualidade da coluna d’água. Na seguinte equação diferencial são descritos
os principais processos que influenciam o oxigênio dissolvido (LOPES &
SILVA, 2006):
Eq. 5
Onde o termo (1) representa as trocas com a atmosfera (reaeração), onde Cs é
a concentração de saturação da água em oxigênio e é uma função da
temperatura da água e k2 uma constante de oxigenação. O termo (2) é uma
função que calcula o consumo de oxigênio na degradação da matéria orgânica,
que incluem a matéria orgânica suspensa, sedimentada e dissolvida. O termo
(3) é uma função que calcula o consumo de oxigênio na nitrificação por
bactérias (mineralização da matéria orgânica). Os termos (4 e 5) representam
respiração e fotossíntese respectivamente. A respiração inclui a autotrófica e
heterotrófica. E o último termo 6 representa o consumo de oxigênio pelo
sedimento.
As equações do oxigênio dissolvido inseridas no DIVAST são baseadas em
equações usadas no modelo US EPA QUAL-11 (FALCONER 1976):
As
equações
da
demanda
bioquímica
e
demanda
sedimentar
são
apresentadas por Pereira,( 2004); Hull et.al (2007); Garcia & Tucci (2008).
A concentração de saturação (Cs) de OD depende da temperatura, salinidade,
pressão (MONTEIRO, 1997 apud APHA, 1985; LOPES & SILVA, 2003; HULL
et.al , 2007 ), sendo representada no modelo como
Cs =
28
onde T= temperatura em °C, S= salinidade em ppt.
A reaeração é calculada de várias maneiras dependendo do lugar e fatores
ambientais, como velocidade da corrente e vento (MONTEIRO, 1997 apud
APHA, 1985; HULL et.al, 2007; GAO & SONG, 2008). A constante de
reaeração K2 é calculada segundo a equação
onde, Dm= difusão
2
molecular (ft /dia), U=velocidade média na vertical (ft/s), H profundidade média
(ft).
A correção pela temperatura é realizado por
onde kT=valor
da taxa constante para uma temperatura local T (°C) (LOPES & SILVA, 2003;
HULL et.al , 2007), com o valor de θ a variar entre 1,005 a 1,030. Em geral,
utiliza-se 1,024.
3.3.3.Método de solução das equações matemáticas
As equações 1, 2, 3, 4 e 5 não apresentam soluções analíticas e para resolvêlas é usado o Método das Diferenças Finitas, que consiste na substituição das
equações de derivadas parciais por equações em diferenças finitas, baseadas
na aproximação em série de Taylor truncada. Tal método utiliza uma malha
retangular composta por células quadradas abrangendo toda a área de estudo.
O tipo de esquema utilizado no modelo DIVAST é a técnica de Direção
Implícita Alternada (ADI) na qual a solução das equações é obtida pela
subdivisão de cada passo de tempo em dois meio passos de tempo. No
primeiro meio passo de tempo a elevação da água e a componente U da
velocidade são solucionadas implicitamente na direção x, enquanto que as
outras variáveis são representadas explicitamente. Similarmente, para o
segundo meio passo de tempo a elevação da água, a componente V da
velocidade e a concentração de soluto são solucionadas implicitamente na
direção y, com as outras variáveis sendo representadas explicitamente.
Falconer (1976) recomenda que se restrinja o passo de tempo de forma que o
29
numero de Courant (υ=
) seja menor que 8. Onde: ∆t o passo de tempo
utilizado, ∆x o tamanho da célula.
No DIVAST em cada elemento da malha computacional são determinadas a
elevação do nível d’água (η), e as velocidades nas duas direções (U,V), em
função das condições de contorno. A elevação e a concentração de soluto são
determinadas no centro das células, enquanto que as componentes da
velocidade e a profundidade são calculadas no centro dos lados de cada
célula.
3.3.4. Critérios para implantação de modelos numéricos
Para a realização desta etapa são necessários o fornecimento do levantamento
dos dados de batimetria, maré, além de teste de malha computacional e
condições iniciais e de contorno, sendo estes fatores decisivos na calibração
de um modelo numérico e posterior validação.
3.3.4.1.Teste de malha
Consiste na implantação de diversas malhas sobre a região de estudo para
determinar o tamanho da malha a ser usada para representar o domínio de
interesse para o estudo a ser realizado. No DIVAST, a grade da malha é
retangular com células quadradas. Uma melhor representação da região é
dada com um maior refinamento da malha, contudo pode causar um esforço
computacional consideravelmente maior (maior tempo de simulação).
3.3.4.2. Condições iniciais e de contorno
As condições iniciais utilizadas pelo DIVAST podem ser de dois tipos: partida a
quente e partida a frio. Na partida a quente, a simulação começa a partir de
valores de elevação, velocidade e concentração de soluto obtidos em
simulação precedente. Já o segundo caso, a simulação inicia, normalmente,
com velocidade nula ao longo do domínio, concentração de soluto nulo ou com
valor constante em toda malha, e elevação próxima ao seu nível máximo ou
mínimo.
As condições de contorno são de dois tipos: contorno fechado e contorno
aberto.
O primeiro ocorre ao longo de linhas de costa ou adjacentes a
30
estruturas, através das quais não há fluxo, o segundo permite a entrada de
fluxo, portanto é necessário especificar como as condições hidrodinâmicas
(elevação ou velocidade) e de qualidade (concentração de soluto) variam ao
longo do tempo.
No caso de praias com gradientes suaves e extensas planícies de maré, onde
o limite do corpo d´água varia com o tempo, Maciel (2004) apontou que estas
áreas podem ser representadas no modelo através de rotinas computacionais
que permitam a variação desses limites entre a situação seca e molhada.
Contudo, esse efeito não é considerado neste trabalho.
3.3.4.3. Calibração e Validação
A calibração consiste na verificação da capacidade do modelo de reproduzir os
fenômenos
que
ocorrem
na
natureza,
buscando
alcançar
uma
boa
concordância entre os resultados obtidos pelo modelo e uma serie de dados
coletados
em
campo
(series
de
tempo
de
η
ou
U,V;
salinidade;
temperatura;OD).
Na validação o processo é feito através da coleta de outro conjunto de dados,
independentes daqueles usados na calibração, que serão reproduzidos através
de simulações computacionais. Nessa etapa verifica se o modelo está
representando de forma adequada o registro temporal da variável física
(η,U,V,salinidade,temperatura,OD) para depois inferir o comportamento do
fenômeno ambiental em questão.
4. Metodologia
4.1. Descrição da Área de Estudo
A região a ser estudada compreende todo o Canal da Passagem, que
apresenta aproximadamente 10 km de extensão e situa-se na porção nordeste
da Ilha de Vitória, município de Vitória-E.S entre as coordenadas (20º18’00”,
20º15’00”S e 40º17’00”, 40º19’12”W). É um estreito e sinuoso braço de mar
31
que interliga a Baía de Vitória e a Baía do Espírito Santo, apresentando uma
profundidade máxima de 9m e em média de 4,7m (Guimarães, 1995).
No Canal da Passagem existe um estreitamento, provocado pela Ponte da
Passagem, que divide o canal em duas regiões, a região Sul do canal e a
região Norte do canal, chamadas respectivamente de canal sul e canal norte.
Pode-se observar que a região norte apresenta, em quase toda a extensão de
suas margens, planícies de maré cobertas por vegetação de mangue e que a
região sul devido à ocupação desordenada, não apresenta regiões de
manguezal, apresentando um trecho mais retilíneo (Figura 1).
O Canal da Passagem funciona como um divisor de águas, impedindo que as
águas oriundas da Baía de Vitória alcancem a Praia de Camburi e vice-versa.
O estreitamento da Ponte da Passagem influência na maré vazante e
enchente, ocasionando um atraso tanto para encher quanto para esvaziar o
Canal da Passagem, como observado por Maciel (2004), já que no canal sul o
escoamento está sujeito ao atrito das paredes e fundo do canal, sendo
confinado.
As maiores áreas de inundação encontram-se entre o bairro de Maria Ortiz e o
encontro com a Baía de Vitória. Nesse trecho encontram-se duas ilhas: a
menor situada em Maria Ortiz e a maior é a importante estação ecológica Ilha
do Lameirão.
O Canal da Passagem recebe despejo de esgotos domésticos in natura ou com
tratamento inadequado apresentando entre outros problemas elevados valores
de coliformes fecais (BARROSO & DIAS, 1997; CASTRO, 2001 e ANDRADE,
2007), diminuição das condições de balneabilidade das praias do entorno
(ROCHA, 2000; MACIEL, 2004 e ANDRADE, 2007), além de alterações
significativas na sua geometria devido à ocupação urbana de suas margens de
forma desordenada (GUIMARÃES, 1995) (FIGURA 1).
32
G
Figura 1 - Região de Estudo. A- Ilha do Lameirão; B- Rio Santa Maria da Vitoria; C- Baía de
Vitória; D- Baía do Espírito Santo, E- Ilha de Vitória, F- efluente da estação de tratamento de
esgoto ETE-Mumlembá, G- Bairro Maria Ortiz.
Fonte: modificado de http://www.brasil-turismo.com/espirito-santo/mapas/vitoria-imagem.htm:
Guia geográfico do Espírito Santo.
O padrão de escoamento é regido pela maré, e o tipo de maré na região é de
micromarés, semidiurnas, sendo M2 a principal componente lunar de maré com
um período de 12,42h.
Por estar sujeito a ação da onda de maré em ambas extremidades, este canal
apresenta um interessante comportamento hidrodinâmico com variações na
direção das correntes de acordo com o momento da maré (GUIMARAES, 1995;
RIGO et al ,1993; MACIEL, 2004). Esse comportamento diz respeito ao
fenômeno que ocorre no canal denominado “Tombo da Maré”.
33
O primeiro pesquisador a notar a ocorrência desse fenômeno no canal foi o
professor J. L. Helmer, do Departamento de Biologia da Universidade Federal
do Espírito Santo. A sua provável localização no interior do canal foi
determinada por Rigo et al. (1993) e sua posição é variável de acordo com as
amplitudes das marés (GUIMARAES, 1995; RIGO et al ,1993; MACIEL, 2004).
Estes autores dizem que tal fenômeno é o resultado da presença de uma onda
estacionária, visto que a interação entre duas ondas progressivas que se
propagam em direções opostas produz uma onda estacionária.
Maciel (2004), com a utilização do modelo Divast, afirma que o fenômeno
“Tombo da Maré” é o resultado de uma convergência de ondas que é formada
por uma coluna de água parada, que se desloca durante a maré vazante em
direção à Ponte da Passagem, enquanto durante a maré enchente se desloca
em direção à extremidade norte do canal. O deslocamento do Tombo da Maré
pode ser explicado pela diferença de duração entre a maré enchente e
vazante.
Existir um período de tempo, em que a água do Canal da Passagem escoa em
uma única direção, na direção da Baía do Espírito Santo, que Rigo et al (1993)
constataram ser superior a uma hora.
A principal contribuição fluvial é devida ao rio Santa Maria da Vitória cuja foz
localiza-se na Baía de Vitória próximo ao Canal da Passagem. A vazão média
mensal varia de 4m3/s a 30 m3/s (HIDROWEB, 2007). A vazão do rio está
sujeita ao controle da usinas hidrelétricas construídas em seu curso, situadas
nos municípios de Santa Maria de Jetibá e Santa Leopoldina.
4.2.Dados Experimentais
Os dados experimentais incluem registro de elevação do nível do mar,
velocidades de correntes (usando um correntômetro ADCP (Acoustic Doppler
Current Profilers) –a fim de produzir séries temporais da distribuição vertical da
velocidade média das correntes), medidas de oxigênio dissolvido (usando o
sensor de OD – SO-400 – que é acoplado ao aparelho pH-1500), sendo estes
obtidos no levantamento de campo realizado no ano 2008 executado pela
34
equipe do Departamento de Ecologia e Recursos Naturais- UFES, para a
realização do projeto do Fundo de Apoio à Ciência e Tecnologia (FACITEC).
4.3. Implantação do Modelo Numérico
4.3.1. Malha Computacional
Para a realização deste estudo foi utilizada uma malha computacional com
células de 25 X 25 metros, sendo o eixo x composto por 630 células e o eixo y
composto por 600 células. A grade computacional abrange todo o sistema
estuarino da ilha de Vitória e a Baía do Espírito Santo. A orientação assumida
para a grade foi de 340° em relação ao norte. Entre tanto o foco do trabalho
compreende o Canal da Passagem.
O efeito do manguezal neste estudo foi desconsiderado, visto que nos testes
de simulações da modelagem este efeito ocasionou problemas com o
transporte do soluto. Desta forma, a região de manguezal foi representada por
células “secas”.
4.3.2. Dados de entrada do Modelo
Os dados de entrada necessários para execução do modelo compreendem os
dados de batimetria, de rugosidade do leito, e os dados de maré e dados de
vazão do rio Santa Maria da Vitória para os contornos abertos. A batimetria foi
adquirida no laboratório de Simulação em Escoamentos com Superfícies Livres
(LABESUL) onde se tem uma boa representação do relevo de fundo para o
domínio fluido modelado, e isto esta diretamente associado a resolução dos
campos de velocidade obtidas pelo modelo. A rugosidade do leito foi obtida do
estudo sedimentológico do material de fundo do sistema estuarino da região
Metropolitana de Vitoria, ES, realizado por Paiva & Albino (2000), valores que o
modelo DIVAST utiliza para o cálculo do coeficiente de Chézy, ao longo de
todo o domínio modelado. Este parâmetro representa a resistência ao
escoamento causada pelo atrito com o fundo.
35
Os dados de maré foram obtidos do modelo de Viegas (2006), o qual estudou o
comportamento da maré no litoral do Espírito Santo. Neste modelo foram
simulados 864 horas de maré no litoral do Espírito Santo, e registrada a
elevação do nível médio da água nas proximidades do Porto de Tubarão e,
estas 864 horas compreendem dados de maré, do dia 18 fevereiro de 2008 ao
dia 5 de abril 2008.
Para o dado de vazão, referente ao rio Santa Maria da Vitória, foi atribuída uma
vazão de 16 m³/s. Este valor estabelecido é uma ponderação das informações
de vazão e captura de água obtidas em diferentes meios (OLIVEIRA, 2003;
HIDROWEB, 2007; COIMBRA,2008).
Dados de oxigênio dissolvido do Canal da Passagem adotadas para aporte do
Rio Santa Maria da Vitória e oceano foram de 9,3mgO2/L e 5,53mgO2/L,
respectivamente. Esses valores foram obtidos nos estudos de Jesus et al.
(2004) para o Rio Santa Maria,(estudou a Distribuição de metais pesados em
sedimentos do sistema estuarino da Ilha de Vitória-ES medindo parâmetros
físico-químicos da água), e nos estudos de Moura (2006) para o oceano, onde
realizou um estudo de Análise Ambiental Integrada dos Fatores Abióticos da
Baía do Espírito Santo, Vitória – ES).
4.3.3. Condições iniciais e de Contorno
As condições de contorno empregada nesse estudo para a malha utilizada
foram: três condições de contorno abertas: uma para o rio Santa Maria da
Vitória (C1) e duas para a Baía do Espírito Santo (C2 e C3) (Figura 2).
Para o contorno C1 foi atribuída condição de fluxo volumétrico, e C2 condições
de elevação de maré, e para C3 fluxo volumétrico nulo.
36
Figura 2- Representação da malha computacional de espaçamento 25 m x 25 m e as
localizações dos contornos abertos utilizada no estudo.
Fonte: Garção, (2007).
As condições inicias para a simulação foi a partida a frio, em que assumiu
velocidade nula ao longo do domínio computacional, concentração de oxigênio
dissolvido nulo e elevação a partir do seu nível máximo. O passo de tempo
assumido na simulação foi de 6 segundos.
4.3.3. Calibração e validação
A calibração do modelo como descrita anteriormente no item 3.3.4.3 foi feita
utilizando os dados obtidos em campo no Canal da Passagem (velocidade,
elevação e oxigênio dissolvido) que foram implementados no modelo. Após a
simulação verificou-se há boa concordância entre os resultados obtidos pelo
modelo e os dados de campo fornecidos.
37
5. Resultados e discussão
Para registrar os valores de elevação da superfície da água, velocidade das
correntes e oxigênio dissolvido foram estabelecidos estações ao longo o Canal
da Passagem, sessenta e nove no total, para referenciar os resultados obtidos
pelo modelo numérico (FIGURA 3).
Figura 3- Disposição das estações amostrais ao longo do Canal da Passagem.
38
Os resultados mostrados a seguir (FIGURA 4 e 5) consistem em gráficos de
elevação, e velocidades geradas pelo modelo num período de 864h, próximo
da estação de monitoramento (estação 46) localizada no meio do canal. A
elevação gerada mostra os períodos de sizígia e quadratura no qual não
ultrapassaram a altura de 1,75m e 0,7m respectivamente. As maiores
velocidades são observadas no período de sizígia alcançando valores de
0,20m/s e na quadratura valores de 0,13m/s, e os valores mínimos de 0,03m/s
na sizígia e 0,01m/s na quadratura para o momento de enchente. Rigo et al
(1993) em seus estudos para investigar a hidrodinâmica do Canal da
Passagem obteve dados de velocidade para os dias 5, 15 e 19 de junho de
1993, onde a velocidade máxima apresentada foi de 0,28m/s para vazantes e
0,07m/s para as enchentes em maré de sizígia.
Nestes gráficos são
separados os períodos da fase da Lua, obtida em na página da Diretoria de
Hidrografia e Navegação (DHN), de acordo com o tempo de simulação.
18.02.08
5h a.m
25.03.08
5h a.m
Lua
cheia
Lua
minguante
Lua nova
Figura 4- Gráfico de elevação da superfície para a estação 46.
Lua
crescente
Lua cheia
39
Figura 5- Gráfico do módulo da velocidade para a estação 46.
A menor variação do nível da água produzida na quadratura foi 0,20m entre os
tempos de 290h e 295h de simulação. E a maior variação produzida na sizígia
foi 1,75m entre os tempos 463h e 469h.
Estas diferenças que ocorrem entre as quadraturas e as sizígias estão
relacionadas com as componentes de maré que formam a maré astronômica.
Estas componentes possuem suas amplitudes e suas fases, e ao se
interagirem, produzem diferentes elevações, mesmo em maré de quadratura e
sizígia.
Interpolando os dois gráficos descritos acima, e mostrando no período de
sizígia e quadratura entre o tempo de 600-800h (FIGURA 6 e 7) é possível
notar que o módulo da velocidade atinge valores máximos depois da preamar,
logo apresenta vazantes mais rápidas que enchentes.
Para a maré encher demora-se mais tempo devido o preenchimento dos
canais, e na baixa-mar devido ao acúmulo de água ocasionado na região, essa
40
tende a percorrer os canais principais sem sofrer muito atrito atingindo dessa
forma maiores velocidades e menos tempo para vazar. Rigo et al, (1993),
Barros (2002) e Maciel (2004) observaram em seus estudos que o Canal da
Passagem apresenta dominância de maré vazante tanto para marés de sizígia
e quadraturas conforme foi visto nos resultados de velocidade e elevação.
Figura 6- Gráfico da magnitude de velocidade e elevação da superfície para a estação 46 no
período de sizígia. A linha azul representa a elevação da superfície (m), e a linha vermelha
representa a magnitude da velocidade (m/s).
41
Figura 7- Gráfico da magnitude de velocidade e elevação da superfície para a estação 46 no
período de quadratura. A linha azul representa a elevação da superfície (m), e a linha vermelha
representa a magnitude da velocidade (m/s).
O aparelho ADCP mediu as velocidades da corrente e elevação na região
próxima ao ponto 46 do Canal da Passagem nas coordenadas 7757067,
362729 (UTM) (FIGURA 8 e 9). Esses dados foram obtidos no dia 25 de março
de 2008.
42
Figura 8- Gráfico da elevação da superfície medido pelo ADCP para um ponto localizado
próximo a estação 46 no período de sizígia para o dia 25/03/2008.
Figura 9- Gráfico da magnitude da velocidade e direção, medido pelo ADCP para um ponto
localizado próximo a estação 46 no período de sizígia para o dia 25/03/2008.
43
Observa-se na figura 8 e 9, que o tempo de maré enchente é de
aproximadamente 6horas e meia apresentando menores valores de velocidade
(0,3-0,45m/s) e uma direção entre 50-60°N. Na estof a da maré (14:00h) as
velocidades são quase nulas, onde ocorre a inversão da maré, ou seja o
sentido de escoamento muda (200-250°N). A partir de sse ponto nota-se um
aumento gradual da velocidade atingindo valores de 0,6m/s no periodo de
vazante para este ponto.
De acordo com as figuras 5 e 9 nota-se que a velocidade obtida em campo é
duas vezes superior a obtida pelo modelo onde a região de manguezal não foi
considera como dito anteriormente. Nos estudos de Wolanski et al. (1980),
Mazda et al., (1995) e Chacaltana et al.(2003) observa-se a importância de se
considerar a influência do manguezal, visto que este incrementa os valores de
intensidade das correntes induzidas pela maré, onde as velocidades máximas
da corrente nos canais são maiores na vazante do que na enchente.
Com relação as figuras apresentadas acima, tanto as geradas pelo modelo
quanto as obtidas em campo, nota-se que as velocidades tendem a zero nas
estofas da maré.
As amplitudes e fase de maré estão associadas à interação da onda de maré
com a geometria do corpo d´água, e com o estreitamento da seção na
extremidade sul (Ponte da Passagem). Ocorre, neste ponto, um empilhamento
de água tanto nas marés de enchente quanto nas vazantes que foi observado
nos resultados desse estudo e naqueles descritos por Guimarães (1995), Rigo
et al(1993), Barros (2002) e Maciel (2004), que ocasiona um atraso tanto para
encher quanto para esvaziar o Canal da Passagem.
A principal componente geradora do escoamento é o gradiente de elevação do
nível da água do mar gerado pelo movimento periódico das marés. Esse
escoamento junto com as características do estuário determinará o padrão de
circulação. Este fato é importante quando se menciona em maré vazante ou
enchente, pois dependendo do ponto de referência tomado este pode
apresentar certa elevação enquanto que em outro ponto, esta elevação pode
estar defazada como verificada por Rigo et al, (1993), Maciel (2004), Garção
44
(2007). De forma geral, os gradientes de pressão que acontecem no
estreitamento (Ponte da Passagem) são maiores durante a vazante do que
aqueles que se desenvolvem durante a enchente (Maciel, 2004).
As implicações ambientais desta característica intrínseca deste canal são de
que na coluna de água ocorre a falta de movimento horizontal da água (em
conseqüência disso há falta dos gradientes horizontais de pressão na coluna
de água que se desloca em direção à extremidade norte do canal). Isto indica
que o tempo de residência de solutos lançados no Canal pode aumentar, com
possível prejuízo na qualidade da água do Canal da Passagem.
Para representar as magnitudes da velocidade, estes valores foram
multiplicados por um fator de 16. As Figuras 10 a 17 mostram as magnitudes
em um período de enchente e vazante para marés de quadratura e sizígia. É
possível observar as diferenças de velocidade entre as duas marés, e a parte
norte e a parte sul do Canal da Passagem e, também, o efeito do Tombo da
Maré (zona de convergência) e seu deslocamento no Canal durante a enchente
e vazante.
45
a
1cm
0,5m/s
b
1cm
0,5m/s
Figura 10- Campo de velocidade após 635h de simulação (maré de quadratura). (a) Extremo norte do Canal, (b) Região norte do Canal. As setas vermelhas indicam
a magnitude da velocidade da maré, e o seu sentido. Em destaque, locais de baixa hidrodinâmica (centro), e maré vazante.
46
c
c
d
e
1cm
0,5m/s
1cm
0,5m/s
1cm
0,5m/s
Figura 11- Campo de velocidade após 635h de simulação (maré de quadratura). (c) Região do meio do canal, (d) Estreitamento da Ponte da Passagem, (e) Região
sul. As setas vermelhas indicam a magnitude da velocidade da maré, e o seu sentido. Em destaque, maré vazante.
47
a
1cm
0,5m/s
b
1cm
0,5m/s
Figura 12- Campo de velocidade após 641h de simulação (maré de quadratura). (a) Extremo norte do Canal, (b) Região norte do Canal. As setas vermelhas indicam
a magnitude da velocidade da maré, e o seu sentido. Em destaque, maré de enchente(a e b), locais de baixa hidrodinâmica (b).
48
d
c
1cm
0,5m/s
1cm
0,5m/s
Figura 13- Campo de velocidade após 641h de simulação (maré de quadratura). (c) Meio do Canal, (d) Região do estreitamento da Ponte da Passagem. As setas
vermelhas indicam a magnitude da velocidade da maré, e o seu sentido. Em destaque, locais de baixa hidrodinâmica (c), formação de vórtices e maré enchente(d).
49
a
1cm
0,5m/s
b
1cm
0,5m/s
Figura 14- Campo de velocidade após 778h de simulação (maré de sizígia). (a) Extremo norte do Canal, (b) Região norte do Canal. As setas
vermelhas indicam a magnitude da velocidade da maré, e o seu sentido. Em destaque, maré de enchente.
50
c
e
d
1cm
0,5m/s
1cm
0,5m/s
1cm
0,5m/s
Figura 15- Campo de velocidade após 778h de simulação (maré de sizígia). (c) Região do meio do Canal, (d) Estreitamento da Ponte da Passagem, (e) Região sul do
Canal. As setas vermelhas indicam a magnitude da velocidade da maré, e o seu sentido. Em destaque, locais de baixa hidrodinâmica (c), formação de vórtices (d)
maré enchete (c e d).
51
a
1cm
0,5m/s
b
1cm
0,5m/s
Figura 16- Campo de velocidade após 784h de simulação (maré de sizígia). (a) Extremo norte do Canal, (b) Região norte do Canal. As setas vermelhas indicam a
magnitude da velocidade da maré, e o seu sentido. Em destaque, maré de vazante(a e b) local de baixa hidrodinâmica no centro (b), mudança do sentido (b).
52
c
1cm
0,5m/s
d
1cm
0,5m/s
Figura 17- Campo de velocidade após 784h de simulação (maré de sizígia). (c) Região do meio do Canal, (d) Região sul do Canal. As setas vermelhas indicam a
magnitude da velocidade da maré, e o seu sentido. Em destaque, locais de baixa hidrodinâmica.
53
No período de simulação de 635h para maré de quadratura, (Figuras 10 e 11),
mostram a maré vazando do canal nas duas extremidades, entretanto na
região norte (FIGURA 10 b) observa-se uma área de baixa hidrodinâmica onde,
a partir dessa região, a maré escoa em sentidos contrários.
No período de simulação de 641h para a maré de quadratura, as figuras 12 e
13, mostram a maré adentrando o canal nas duas extremidades, contudo na
região norte (FIGURA 12 b) observa-se uma região de baixa hidrodinâmica
escoando no sentido sul. Na região próxima à UFES (FIGURA 13 c e d) são
verificadas áreas de ausência de velocidade. Próximo à Ponte da Passagem
ocorre uma intensificação do fluxo ocasionado pelo estreitamento da região,
gerando vórtices devido ao encontro com uma massa de água vinda da região
norte do canal.
Na maré de sizígia, as figuras 14-17 apresentam intensidades maiores
comparadas com a maré de quadratura, que pode ser observado no gráfico de
elevação e módulo da velocidade das correntes (FIGURA 5 e 6). Na região
próxima a UFES (FIGURA 15 c), observa-se uma região de baixa
hidrodinâmica (áreas brancas da figura), maior daquela que a que ocorre na
quadratura, estando praticamente essa região sem movimento horizontal
algum. E na região próxima a ponte da passagem (FIGURA 15 d) observar-se
maiores
intensidades
da
velocidade
da
corrente
de
maré
enchente
ocasionando vórtices após passar pelo estreitamento da Ponte da Passagem.
Na vazante da maré de sizígia (FIGURA 16 e 17) nota-se que a região de baixa
hidrodinâmica encontra-se no Canal na região norte onde ocorre o local de
divisão das massas de águas, uma fluindo em direção oposta a outra. Sendo
que na região da Ponte da Passagem e sul do Canal as intensidades das
velocidades são elevadas.
Vale ressaltar, que as magnitudes das velocidades das figuras 10 a 17
encontram-se multiplicadas por um fator de 16, para facilitar a visualização das
mesmas,
estas
velocidades
atingiram
máximos
valores
na
sizígia
principalmente na vazante como visto nas figuras 5 e 6 e em regiões de
estreitamento do canal.
54
Os resultados apresentados na simulação do modelo numérico DIVAST
mostram que a região de zona de convergência chamada tombo da maré,
acontece em locais diferentes. Os resultados numéricos mostram que a zona
de convergência acontece desde a Ponte da Passagem até a extremidade
norte do Canal da Passagem (FIGURAS 10 a 17). Segundo Maciel (2004), a
zona de convergência é formada por uma coluna de água parada que se
desloca para a extremidade norte do Canal da Passagem durante a enchente.
Na região próxima à Ponte da Passagem (FIGURAS 13 e 15 c) observa-se
uma região de baixa hidrodinâmica para um período de quadratura e sizígia
durante a enchente da maré. Durante a vazante de quadratura e sizígia
observa-se que a região norte do canal apresenta baixa hidrodinâmica
(FIGURAS 10, 12 e 16 b). É possível notar, também na figura 16 b que nessa
região o escoamento se dá em sentidos opostos.
Para realizar a qualidade de água pelo modelo DIVAST foram feitas as
seguintes considerações:
• Os processos de fotossíntese, respiração foram desconsiderados por
não se dispor de dados destes elementos.
• Já os processos de demanda sedimentar e bioquímica do oxigênio e,
mineralização da matéria orgânica, como o modelo necessita desses
parâmetros para funcionar, valores de literatura foram utilizados.
Esses processos são importantes, pois na interface água-sedimento ocorrem
oxidações e reduções dos elementos químicos e de matéria orgânica pelas
bactérias (LIBES,1992), que são responsáveis pela variação da concentração
de oxigênio dissolvido e do potencial redox. Quando o sedimento torna-se
muito reduzido, a liberação das espécies químicas reduzidas na coluna d’água
(e.g., metano, sulfeto, entre outros), se dá pelo desaparecimento da camada
oxidada (LIBES,1992). E a demanda bioquímica do oxigênio indica o teor de
matéria orgânica biodegradável, definida pelo consumo de oxigênio dissolvido
necessário para os organismos aeróbios degradarem a matéria orgânica
presente no corpo de água.
55
• Foi desconsiderado, também o aporte de efluentes domésticos.
• Os processos físicos, como ondas de gravidade (swell e vento), mangue
e ventos foram, também, desconsiderados, dessa forma avaliou-se a
distribuição do oxigênio ocasionado pela reaeração e influência da maré
(FIGURAS 20 a 27).
Os pontos amostrais dos dados de oxigênio dissolvido medidos em campo são
mostrados na Tabela 1 e sua respectiva correspondência com as estações do
Canal da Passagem, para referenciar os resultados obtidos pelo modelo
numérico com os pontos.
Tabela 1- Pontos de medição de oxigênio dissolvido e sua respectiva localização.
Latitude
Pontos (UTM)
Longitude
(UTM)
Estações do Canal
1
365263
7755528
65
2
363916
7756216
56
3
362729
7757067
46
4
364063
7759694
26
5
362370
7760377
10
As concentrações de oxigênio dissolvido medidas em campo resultaram em
altos valores, para região (FIGURA 18). O sedimento do Canal da Passagem,
segundo Paiva & Albino (2000), é composto por areia média-fina, argila e silte,
apresentando em sua composição elevados teores de matéria orgânica. Além
de receber elevada carga de efluentes, seria de se esperar baixas
concentrações de oxigênio devido ao consumo para a decomposição da
matéria orgânica.
Algumas das explicações para estes valores altos seria a influência de
períodos chuvosos precedidos ao dia da coleta de campo, ou pela ocorrência
de bloom de algas devido ao excesso de nutriente oriundos de fontes
antropogênicas.
56
Figura 18- Distribuição espacial e temporal do oxigênio dissolvido obtido em campo.
O ponto 1, localizado entre as Pontes Camburi e Ayrton Senna, e o ponto 3
(ponto localizado próximo ao ponto de referencia do Canal da Passagemestação 46) apresentaram uma oscilação do oxigênio dissolvido de forma
similar, porém com uma defasagem de aproximadamente 1 hora, sendo que o
ponto 1 observou-se concentrações maiores que no ponto 3. Antes de chegar
na estofa da maré (preamar) que ocorreu as 14:00, o ponto 3 teve um aumento
gradual diminuindo posteriormente, e as 16h onde tem-se as maiores
velocidades para essa região conforme a figura 9, observou-se os maiores
valores de oxigênio.
O ponto 2 apresentou valores de quase 15mgO/L na região da Ponte da
Passagem, esse aumento da concentração pode estar relacionado com as
maiores intensidades da corrente de maré devido ao estreitamento da região
na qual gera vórtices ocasionando uma mistura turbulenta (com relação ao
ponto 47, onde o aparelho mediu a elevação e velocidade a maré estava
enchendo). Antes da estofa de preamar a concentração de OD diminui para
5mgO/L, e posteriormente observa-se um aumentando gradual, agora talvez
por causa do movimento turbulento ocasionado durante o período de
escoamento em direção a Baia do Espírito Santo.
57
O ponto 4 apresentou altos valores de oxigênio localizando-se próximo a
estação de tratamento de esgoto, variando pouco com o tempo. Já o ponto 5
localizado no extremo norte do canal obteve maiores variações de oxigênio
dissolvido.
A distribuição do oxigênio dissolvido gerada pelo modelo (FIGURAS 20-27) não
foi satisfatória para todos os dados obtidos em campo, contudo obteve-se
maior aproximação com os estudos de monitoramento do Canal da Passagem
realizados pela empresa Tecma (Tecnologia em Meio Ambiente Ltda) e Gaia
(Gestão Ambiental da Industria Ltda). Os dados simulados pelo modelo
apresentaram máximo valor de oxigênio 8,7mgO/L para o extremo norte do
Canal da Passagem (FIGURA 19).
Figura 19- Distribuição espacial e temporal do oxigênio dissolvido obtido pelo modelo no
período de sizígia para as estações correspondentes aos pontos do campo.
Na figura 19 nota-se a periodicidade do comportamento do oxigênio dissolvido,
variando no tempo conforme a movimentação da maré, e variando
espacialmente, a medida que os pontos se distanciavam da influência do Rio
Santa Maria da Vitória. Foi constatado empiricamente que as concentrações de
58
oxigênio dissolvido são mais altas próximas a região norte do canal onde se
tem a maior influência do Rio Santa Maria da Vitória e qualitativamente o
modelo representou essa tendência, sendo possível notar nas figuras 18 e 19,
para os pontos 3, 4 e 5 e as estações 10, 26, 46.
As estações 56 e 65 apresentam um comportamento periódico diferente, pois
estes pontos são governados pela qualidade da água da Baía do Espírito
Santo.
59
OD (mg/L)
Figura 20- Distribuição de oxigênio dissolvido no período de baixa-mar no sistema estuarino de Vitória na quadratura após a simulação de 626h.
60
OD (mg/L)
Figura 21- Distribuição de oxigênio dissolvido no período de preamar no sistema estuarino de Vitória na quadratura após a simulação de 632h.
61
OD (mg/L)
Figura 22- Distribuição de oxigênio dissolvido na quadratura no sistema estuarino de Vitória após a simulação de 635h. Os quadrados vermelhos indicam os
pontos do campo do dia 25/03/2008.
62
OD (mg/L)
Figura 23- Distribuição de oxigênio dissolvido na quadratura no sistema estuarino de Vitória após a simulação de 641h. Os quadrados vermelhos indicam os
63
OD (mg/L)
Figura 24- Distribuição de oxigênio dissolvido na sizígia no sistema estuarino de Vitória após a simulação de 778h. Os quadrados vermelhos indicam os
64
OD (mg/L)
Figura 25- Distribuição de oxigênio dissolvido no período de preamar no sistema estuarino de Vitória na sizígia após a simulação de 781h.
65
OD (mg/L)
Figura 26- Distribuição de oxigênio dissolvido na sizígia no sistema estuarino de Vitória após a simulação de 784h. Os quadrados vermelhos indicam os
66
OD (mg/L)
Figura 27- Distribuição de oxigênio dissolvido no período de baixa-mar no sistema estuarino de Vitória na sizígia após a simulação de 787h.
67
De acordo com as figuras 20 a 27, observa-se que na extremidade sul do
Canal da Passagem está com concentrações de oxigênio muito baixas
praticamente zero (ambiente anóxico), esta representação pelo modelo devese as considerações feitas previamente, onde uma das influências de oxigênio
para essa região é o vento, pois através dele, dependendo do tamanho da
pista, e intensidade, ocorre a formação de pequenas ondas, quando a crista
colapsa, oxigena a camada superficial da água, e a quebra de onda na praia.
Na quadratura observa-se que os menores valores foram obtidos na região sul
do Canal (1mgO/L) aumentando gradualmente até o norte do Canal (7mgO/L).
E na sizígia estes valores são ainda maiores, 8,5mgO/L e 3mgO/L na região
norte e sul, respectivamente. O Monitoramento Ambiental realizado a montante
da ETE de Mulembá apresentou valores de 1,4mgO/L e 3,8mgO/L na vazante
e enchente. No ponto de lançamento da ETE valores de 2,3 e 3,6mgO/L foram
obtidos na vazante e enchente, respectivamente (TECMA, 2004). Barroso &
Dias (1997) obtiveram para o ponto de lançamento da ETE valores de
1,10mgO/L e a montante desse ponto valores de 2,4mgO/L. O modelo obteve
valores entre 5 e 6,5mgO/L em períodos de sizígia e quadratura para essa
região, que corresponderia ao ponto 4 do campo.
De acordo com a Resolução Conama N° 357/05 para águ as salobras classe 1,
os limites estabelecidos para as concentrações médias de oxigênio dissolvido é
de 5 mgO/L.
Os dados obtidos no trabalho de Gaia, (1999) foi realizado num ponto na região
sul do Canal, onde observou-se valores de 2,76mgO/L na enchente e
2,28mgO/L na vazante. Os valores obtidos pelo modelo estão nessa margem,
porém atingindo valores inferiores devido a Baia do Espírito Santo se
comportar como um ambiente anóxico.
6. Conclusões
Os resultados obtidos pelo modelo mostram que a maior contribuição de
oxigênio dissolvido para a região é devido ao Rio Santa Maria da Vitória, e
muito pouca influência da região oceânica. Dessa forma a região do extremo
68
norte e norte do Canal apresentam altos valores quando comparados com os
estudos feitos na região (BARROSO & DIAS, 1997; GAIA, 1999; TECMA,
2004). Os fatores que podem ter levado há obter esses valores discordantes
deve-se as a desconsiderações feitas, ausência de manguezal, ventos,
ausência de lançamentos de esgotos domésticos e possivelmente pela
condição de contorno adotada, no qual para o contorno C3 (FIGURA 2) foi
atribuído somente a ocorrência de fluxo de massa e não a entrada de maré
astronômica.
Uma vez que a parte norte do Canal da Passagem é toda composta por tal
vegetação de manguezal, a sua desconsideração fez com que ocorresse uma
canalização deste corpo d’água. Dessa forma, processos advectivos mais
intensos impulsionam a penetração de oxigênio dissolvido oriundo do Rio
Santa Maria da Vitória adentrando no Canal a distâncias maiores.
Conclui-se, então, que a região de manguezal tem grande importância na
hidrodinâmica do Canal da Passagem e qualidade da água. E para um melhor
gerenciamento da qualidade da água do canal, o conhecimento desta
hidrodinâmica do manguezal e qualidade da água é de fundamental
importância, principalmente no controle de poluentes lançados no Canal da
Passagem.
7. Recomendações Futuras
- Incluir as outras fontes do oxigênio dissolvido para o Canal da Passagem na
aplicação do modelo, como fotossíntese, respiração, vento.
- Incluir dados realísticos do ambiente para os parâmetros DBO, oxidações
químicas, SOD.
- Utilizar uma malha mais refinada na área de estudo a fim de ter maior
detalhamento dos resultados.
- Incluir a área de manguezal nas simulações.
69
8. Referências
ANDRADE, R.R. Simulaçao numérica do transporte da pluma de esgosto
domestico lançada no canal da passagem e sua influencia na qualidade
da água da Baía do Espírito Santo. 2007 Monografia (Graduaçao em
Oceanografia) Universidade Federal do Espírito Santo.
AUGUSTINUS, P.G.E.F.Geomorphology and sedimentology of mangrofes. In:
PERILLO, G.M.E. (org). Geomorphology and Sedimentology Fo Estuaries.
Amsterdã: Elsevier, 1996, cap 12, p. 333-353.
BARROS FILHO, G. C., Identificação dos Processos Físicos na
Hidrodinâmica das Águas do Entorno da Ilha de Vitória,2002. Dissertação
(Mestrado de Engenharia Ambiental) – Universidade Federal do Espírito Santo,
Vitória, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental 2002.
BARROSO, G.F; & DIAS ,Jr, C. Avaliação preliminar da qualidade da água do
Canal da Passagem/ Manguezal do Lameirão. Vitoria (ES). In: SEMINARIO
REGIONAL DE ECOLOGIA, 8, 1996, São Carlos. Anais do VIII Seminário
Regional de Ecologia. PPG-ERN/UFScar, São Carlos, 1997.
BAUMGARTEN, M.G.Z;ROCHA, J.M.B; NIENCHESKI, L.F.H. Manual de
analises em oceanografia química. Santa Catarina: Editora da FURG, 1996.
BENOIT, P.; GRATTON,Y.; MUCCI, A.Modeling of dissolved oxygen levels in
the bottom waters of the Lower St. Lawrence Estuary:Coupling of benthic and
pelagic processes. Marine Chemistry. v.102, p.13-32, 2006.
BORUSK, M.E.;STOW,R.A.; LUETTICH Jr, R.A.; PAERL, H.W.; PINCKNEY,
J.L. Modelling oxygen dynamics in intermittently stratified estuary: estimation of
process rates using field data. Estuarine, Coastal and Shelf Science. v.52,
p.33-49, 2001.
BROWN, J. et al. Waves, tides and Shallow-water Processes. Walton Hall:
Open University, 1999.
CASTRO, M.S.M. Analise da influencia das águas do Canal da Passagem
sobre o padrão de escoamento na Baía do Espírito Santo. 2001.
Dissertação (Mestrado de Engenharia Ambiental) – Universidade Federal do
Espírito Santo, Vitória, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental,
2001.
CHACALTANA, J. T. A; RIGO, D.; MARQUES, A. C. ; PACHECO, C. G. .
Influência do Manguezal no Padrão de Escoamento do Sistema Estuarino da
Ilha de Vitória. In: V Seminário Estadual Sobre Saneamento e Meio Ambiente,
2003, Vitória-ES. p. 1-7.
70
CHAO,X.; JIA,Y.; SHIELDS Jr, F.D.;WANG, S.S.Y.;COOPER, C.M. Numerical
modeling of water quality and sediment related processes. Ecological
Modelling, v.201, p.385-397, 2007.
CHAU, K.W.; JIN, H.S. Depth-average, two dimensional eutrophication
modeling for Tolo Harbour, Hong Kong. Environmental Modeling &
Assessment, v.64, p.189-199, 1999.
MONTEIRO,A.J. Modelação do oxigênio dissolvido em rios. Departamento
de Engenharia Civil e Arquitetura. Qualidade a água e controle da poluição.
1997.
COIMBRA, U. Ambientalista: rios Santa Maria e Jucu estão em situação
dramática. Edição de 6 de dezembro de 2006. Disponível em:<
http://www.seculodiario.com.br/arquivo/2006/dezembro/06/noticiario/meio_ambi
ente/06_12_09.asp>.Acesso:26 out,2008.
DONATELLI. M.R. Modelagem da hidrodinâmica e da qualidade da água
da Baía de Vitória. 1998. Dissertação (Mestrado em Engenharia Ambiental)Programa de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental, Universidade Federal
do Espírito Santo, Vitória. 1998.
DRONKERS, J. Tidal asymmetry and estuarine morphology. Netherlands
Journal of Sea Research. v. 20. 117-131 p. 1986.
DYER, K.R. Estuaries: A Physical Introduction. 2 ed. Chichester: John Wiley
&Sons, 1997.
FALCONER, R.A. A Introduction to Nearly-Horizontal flows. In: ABBOOTT,
M.B., PRICE, W.A. Coastal, estuarial and harbor engineer’s reference
book. p. 27-36.1. ed. Londres: E&FN Spon, 1994.
FALCONER, R.A. Mathematical Modelling of Jet-Forced Circulation in
Reservoirs and Harbours. Thesis (Doctor of Philosophy), Dept. of Civil
Engineering, Imperial College. London. 1976.
FRENCH, R.H. Open-Channel Hydraulics. Cingapura: McGraw-Hill Book Co.,
1986.
FRIEDRICHS, Carl T.; AUBREY, David G. Non linear Tidal Distortion in
Shallow Well-mixed Estuaries: a Synthesis. Estuarine, Coastal and Shelf
Science. Elsevier Science Publishers B.V. v. 27. p 521-545, 1988.
FURUKAWA,K; WOLANSKI,E.;MUELLER,H. Currents and sediment transport
in mangrove forests. Estuarine, Coastal and Shelf Science, v.44, p.301-310.
1997.
GAIA. Monitoramento Ambiental do Canal da Passagem. 1999.
GAO,X.;SONG,J. Dissolved oxygen and O2 flux across the water-air interface of
the Changjiang Estuary in May 2003. Journal of Marine Systems. 2008. doi:
10.1016/j.jmarsys.2008.02.003
71
GARÇÃO, H.F. Estudo da hidrodinâmica e da distribuiçao de temperatura
na Baía de Vitória através de modelagem computacional. 2007 Monografia
(Graduação em Oceanografia) Universidade Federal do Espírito Santo. 2007.
GARCIA,R.L; TUCCI, C.E.M, Simulação da qualidade da água em rios em
regime não permanente: Rio dos Sinos. Instituto de pesquisas Hidráulicas
UFRGS.
Porto
Alegre.
Disponivel:<www.iph.ufrgs.br/corpodocente/tucci/publicacoes/qualidade.PDF>.
Acesso: 14 set, 2008.
GUIMARAES, M.B. Modelo matemático hidrodinâmica unidimensional para
o canal de interligação entre as Baías de Vitória e Espírito Santo. 1995.
130p. Dissertação (Mestrado de Engenharia Ambiental) – Universidade Federal
do Espírito Santo, Vitória, Programa de Pós-Graduação em Engenharia
Ambiental, 1995.
HIDROWEB, Sistemas de informações hidrológicas. Versão 1.0.8. Brasília:
Agencia Nacional de Águas, 2007 Download em http://hidroweb.ana.gov.br.
HULL, V; PARRELLA, L; FALCUCCI, M. Modelling dissolved oxygen dynamics
in coastal lagoons.Ecological modelling. v.211, p.468-480.2008.
JESUS, H.C.DE; COSTA,E.A;MENDONÇA, A.S.F; ZANDONADE,E.
Distribuição de metais pesados em sedimentos do sistema
estuarino da Ilha de Vitória-ES. Quím. Nova vol.27 no.3 São
Saulo May/June 2004.
LIBES, S.M; An introduction to marine biogeochemistry. Canada: Wiley,
1992.
LOPES, J.F.; SILVA, C. Temporal and spatial distribution of dissolved oxigen in
the Ria de Aveiro lagoon. Ecological Modelling, v.197, p.67-88, 2006.
MACIEL, M.A. Modelagem do padrao de escoamento no Canal da
Passagem (Vitória- ES). 2004. Dissertação (Mestrado de Engenharia
Ambiental) – Universidade Federal do Espírito Santo, Coordenação de
Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior, 2004.
MARTIN , J.L.; MCCUTCHEON, S.C. Hydrodynamics and transport for
water quality modeling. 1 ed., p.111-115, Boca Ranton: Lewis, 1999.
MAZDA, Y.; KANAZAWA, N.; WOLANSKI,E. Tidal asymmetry in mangrove
creeks. Hydobiologia v.295, p.51-58, 1995.
MOURA, M.G. Análise Ambiental Integrada Dos Fatores Abióticos Da Baía
Do Espírito Santo, Vitória – ES. Monografia (Graduação em Oceanografia)
Universidade Federal do Espírito Santo. 2006.
NETO,
R.R.;BARROSO,
G.F.;OLIVEIRA,
T.K.P.de.
Utilização
e
biomarcadores lipídicos na avaliação da poluição ambiental na Baía de
Vitória e Canal da Passagem. 2006. Relatório final- FACITEC. Laboratório de
72
Geoquímica Orgânica e Hidrogeoquimica e Laboratório de Limnologia e
Planejamento Ambiental, UFES, Vitória, 2006.
OLIVEIRA,R.M.S. Distribuição dos sedimentos em trechos do Rio Santa
Maria da Vitoria, ES. Dissertação (Mestrado de Engenharia Ambiental) –
Universidade Federal do Espírito Santo, Vitória, Programa de Pós-Graduação
em Engenharia Ambiental, 2003.
PAIVA,D.S.; ALBINO, J. Estudo sedimentológico do material de fundo do
Canal da Passagem e trecho da Baía de Vitória-ES. V Simpósio de
Ecossistemas Brasileiros, v. 2,p.206 Universidade Federal do Espírito Santo,
2000.
PEREIRA, R.S. Modelos de qualidade de água. Revista Eletrônica de
Recursos Hidrícos. v.1, p.37-48.2004.
PICKARD, George L.; POND, Stephen. Introductory Dynamical
Oceanography. 2. ed. Oxford - New York – Beijing - Frankfurt: Pergamon
Press, 1983.
RIGO,D.
Modelagem e monitoramento do escoamento em regiões
estuarinas em manguezais. Tese. Programa de Pós-Graduação em
Engenharia Oceânica. COPE. Universidade Federal do Rio de Janeiro, 2004.
RIGO,D; SARMENTO, R; GUIMARÃES, M.B. Determinação do Tombo da
Maré para o Canal da Passagem. Relatório de pesquisa feita pela CESAN em
parceria com a UFES. Vitória , 1993.
ROCHA, A.B. Estudo da hidrodinâmica e do transporte de solutos na Baía
do Espírito Santo através de modelagem computacional. 2000. Dissertação
(Mestrado de Engenharia Ambiental) – Universidade Federal do Espírito Santo,
Vitória, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental, 2000.
SHEN, Y.; ZHENG, Y.; KOMATSU, T.; KOHASHI, N. A three-dimensional
numerical model of hydrodynamics and water quality in Hakata Bay. Ocean
Engineering, v.29, p.461-473, 2002.
SILVA, C.G;PATCHINEETAM, S.M.;NETO, J.A.B; PONZI, V.R.A. Ambientes de
Sedimentação Costeira e Processos Morfodinâmicos atuantes na Linha de
Costa. In: NETO,J.A; PONZI, V.R.A.;SICHEL,S.E (orgs). Introdução à
Geologia Marinha. Rio de Janeiro: Ed. Interciência,2004, cap.8, p. 175-218.
STANLEY, D.W.;NIXON, S.W. Stratification and bottom-water hypoxia in the
Pamlico River Estuary. Estuaries. v.15, p.270-281, 1992.
VIEGAS, N.J.F. Modelagem numérica das mares no litoral do Espírito
Santo. 2006 Dissertação (Mestrado de Engenharia Ambiental) – Universidade
Federal do Espírito Santo, Vitória, Coordenação de Aperfeiçoamento de
Pessoal de Nível Superior. 2006.
73
TECMA. Programa de Monitoramento Ambiental biológico do Canal da
Passagem. 2004.
WOLANSKI, E., JONES, M., BUNT, J. S. Hydrodynamics of a Tidal CreekMangrove Swamp System. Australian Journal of Marine Freshwater Research,
v. 31, p. 431-450, 1980.
WU,Y.,FALCONER,R.A.,STRUVE,J. Mathematical modeling of tidal currents in
mangrove forests. Elsevier, Environmental Modelling & Software. v.16, p.
19-29. 2000.
ZHENG, L.; CHEN, C.; FRANK, Z. Development of water quality model in the
Satilla River Estuary, Geórgia. Ecological Modelling, v. 178, p. 457-482,
2004.

Estudo da hidrodinâmica e distribuição do oxigênio

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