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Sistemas Estuarinos Costeiros Carlos Ruberto Fragoso Júnior, Centro de Tecnologia, UFAL MÓDULO III: Processos de Transporte em Estuários.

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1 Sistemas Estuarinos Costeiros Carlos Ruberto Fragoso Júnior, Centro de Tecnologia, UFAL MÓDULO III: Processos de Transporte em Estuários

2 2 OBJETIVO Transporte de substâncias particuladas e dissolvidas na água (propriedades da água, elementos químicos, poluentes, organismos aquáticos, etc) é muito importante com respeito a qualidade da água. Neste módulo veremos uma introdução aos conceitos de transporte e observar alguns exemplos. TRANSPORTE EM ESTUÁRIOS

3 3 a) Livro – Modelagem Ecológica em Ecossistemas Aquáticos b) Livro – Surface Water Quality Modelling c) Documento US- EPA TRANSPORTE EM ESTUÁRIOS

4 4 TRANSPORTE EM ESTUARIES CONTEÚDO: ITransporte em Estuários - Introdução IIZonas de diluição de poluentes (near field / far field) IIIZonas de Misturas IVDescarga Estuarina VCapacidade de Assimilação VIDimensionalidade

5 5 Transporte em estuários? Transporte de substâncias na água devido a turbulência de pequena escala e velocidades médias em grande escala Diluição e transporte de poluentes no estuário devido a circulação das águas Mais complexo do que o transporte em rios: Variações de maré – semidiurna/diurna Variações induzidas pelo vento– períodos diversos Frequência inercial– rotação da Terra Efeitos sazonais – meteorológicos, escoamentos de rios ITRANSPORTE EM ESTUÁRIOS - INTRODUÇÃO

6 6 Tradicionalmente os estudos em estuários se ocupavam basicamente da quantidade da água e não da sua qualidade. Esta ótica está bem presente em grande parte dos livros de hidrologia aplicada. Entretanto, cada vez mais é importante incluir um conhecimento mínimo de qualidade de água nos estudos de estuários.

7 7 Motivos para estudar qualidade de água 1.Há uma interligação entre qualidade e quantidade de água. Muitos problemas de qualidade estão associados à quantidade de água disponível para diluição de poluentes. 2.Muitas fontes de poluentes surgem junto com a própria formação do escoamento. 3.Na vida profissional é raro encontrar engenheiros que se dediquem apenas a questões de quantidade de água. Profissionais com uma visão mais abrangente são muito necessários.

8 8 Advecção / Difusão / Dispersão ITRANSPORTE EM ESTUÁRIOS - INTRODUÇÃO

9 9 Advecção : Transporte com a velocidade média da água. Difusão : Transporte que ocorreria mesmo que a água estivesse parada. Substância se espalha de regiões de mais alta concentração para regiões de mais baixa concentração. Dispersão : Espécie de difusão que ocorre porque a velocidade da água não é sempre igual à média. ITRANSPORTE EM ESTUÁRIOS - INTRODUÇÃO

10 10 Advecção / Difusão / Dispersão ITRANSPORTE EM ESTUÁRIOS - INTRODUÇÃO

11 11 Advecção

12 12 Advecção

13 13 Advecção Substância não se espalha, apenas percorre uma distância na mesma velocidade (média) da água

14 14 Difusão

15 15 Difusão

16 16 Difusão Substância se espalha pelo movimento aleatório das moléculas mesmo que a velocidade média seja zero.

17 17 1 a Lei de Fick - Difusão D é um coeficiente de difusão (unidades de m 2 /s) J é o fluxo de massa de C massa vai de regiões de mais alta para mais baixa concentração

18 18 Dispersão

19 19 Dispersão

20 20 Dispersão Substância percorre uma distância com a velocidade média da água e além disso se espalha, porque a velocidade da água não é sempre igual à média

21 21 Dispersão Velocidades diferentes e turbulência criam um efeito semelhante ao da difusão Em rios o efeito da dispersão é mais importante do que o da difusão, embora os dois ocorram juntos e contribuam para o espalhamento.

22 22 1 a Lei de Fick - Dispersão E é um coeficiente de dispersão (unidades de m 2 /s) J é o fluxo de massa de C massa vai de regiões de mais alta para mais baixa concentração

23 23 Coeficiente de dispersão longitudinal E: coeficiente de dispersão longitudinal (m 2 /s) B: largura do rio (m) h: profundidade (m) u: velocidade da água (m/s) S: declividade média (m/m) Chapra (1997) cap. 14

24 24 Processos de Difusão & Dispersão? Difusion: Movimento aleatório das partículas Causa - turbulência Pequena escala espacial/temporal Dispersão: Diferentes velocidades de lâminas de água adjacente Ação de cisalhamento entre as lâminas de água Promove espalhamento longitudinal das substâncias ITRANSPORTE EM ESTUÁRIOS - INTRODUÇÃO

25 25 Processos de difusão & dispersão? Difusão & dispersão descritos empiricamente: Coeficiente de difusão turbulenta – units m 2 /s Coeficiente de dispersão longitudinal Diffusion & dispersion quantificados a partir de: Valores da literatura para tipos de sistemas similares Uso de equação empírica - complexo Monitoramento da salinidade ou corantes ITRANSPORTE EM ESTUÁRIOS - INTRODUÇÃO

26 26 Principais forçantes do transporte em estuários: a) Ventos b) Maré c) Rios afluentes ITRANSPORTE EM ESTUÁRIOS - INTRODUÇÃO

27 27 a)Transporte induzido pelo vento Tensão de cisalhamento transfere energia para a água resultando em corrente Correntes induzidas pelo vento são c.3% da velocidade do vento Dominante na águas costeiras, menos nos estuários Estuários dominados pelo vento são mais suscetível ao transporte Pode causar circulação e transporte em grande escala – dependendo da geometria etc O transporte é frequentemente mais difícil de ser determinado Vento Uw (m/s) Tensão de cisalhamento N/m 2 Corrente induzida pelo vento U (m/s) Corrente induzida pela maré U (m/s) ITRANSPORTE EM ESTUÁRIOS - INTRODUÇÃO

28 28 ITRANSPORTE EM ESTUÁRIOS - INTRODUÇÃO

29 29 b)Transporte induzido pela maré Normalmente altamente significante em estuários Subida e descida da maré oferece energia Efeitos: Interação com frição no fundo – turbulência e transporte de material do sedimento Transporte é variável no tempo Batimetria induz fluxos assimétricos durante maré enchente e maré vazante Correntes residuais promovem o transporte em um ciclo Zonas de aprisionamento devido a maré ITRANSPORTE EM ESTUÁRIOS - INTRODUÇÃO

30 30 b)Transporte induzido por maré Regime de escoamento Padrões de circulação Efeito de batimetria: Fluxo intenso no canal principal Fluxo fraco em zonas rasas e baías ITRANSPORTE EM ESTUÁRIOS - INTRODUÇÃO

31 31 b)Transporte induzido por marés Distribuição de salinidade: Processos de mistura Zonas de aprisionamento por Maré Advectio n Dispersio n Zonas de aprisioname nto ITRANSPORTE EM ESTUÁRIOS - INTRODUÇÃO

32 32 ITRANSPORTE EM ESTUÁRIOS - INTRODUÇÃO

33 33 b)Correntes residuais na Baía de Dubai ITRANSPORTE EM ESTUÁRIOS - INTRODUÇÃO

34 34

35 35 c)Transporte induzido pelos rios afluentes Usualmente altamente significante em estuários Grande variação sazonal e variaçãoes de curto-prazo Introduz gradientes de salinidade e densidade Estratificação – Número de Richardson. Efeitos: Induz frentes de salinidade e densidade Resistência a mistura local Piscinas de água doce Alterna ciclos entre formações bem-misturadas e estratificadas ITRANSPORTE EM ESTUÁRIOS - INTRODUÇÃO

36 36 IIZONAS DE DILUIÇÃO DE EFLUENTES

37 37 O corpo receptor pode ser dividido em duas regiões: Distante da fonte de poluição (Far field): Padrões de transporte mostrados anteriormente Acontece na grande extensão do estuário Advecção / dispersão / difusão Próximo da fonte de poluição (near field): Proximo do emissário de poluição Diferentes processos prevalecentes Assessment approach quite different IIZONAS DE DILUIÇÃO DE EFLUENTES

38 38 Próximo a fonte de diluição: Descarga do tipo jato Influência primária na trajetória do jato e mistura: - Momento - Empuxo (efluente térmico) - Geometria do emissário O efluente Effluent mistura com a massa de água a jusante Torna-se um problema Becomes the Far field IIZONAS DE DILUIÇÃO DE EFLUENTES

39 39 Próximo a fonte de diluição: Comentários finais: - Similar ao lançamento de poluentes na atmosfera (porém mais complexo) - Problema reversão de fluxo de maré - Escoamente não-permanente - muda com o tempo - Problema da pluma e Empuxo do jato - Estimativa da dispersão em regiões próximas a lançamentos CORMIX: (não considerado no curso)http://www.cormix.info/ IIZONAS DE DILUIÇÃO DE EFLUENTES

40 40 IIZONAS DE DILUIÇÃO DE EFLUENTES

41 41 Mistura De forma semelhante, quando são misturados volumes de água com concentrações diferentes, a concentração final equivale a uma média ponderada das concentrações originais, o mesmo ocorrendo no caso de vazões. Assim, se um rio com vazão Q R e concentração C R recebe a entrada de um afluente com vazão Q A e com concentração C A. Admitindo uma rápida e completa mistura das águas, a concentração final é dada por: Q R C R Q A C A Q F C F

42 42 Exemplo

43 43 IIIZONAS DE MISTURA

44 44 Zonas de mistura (USEPA): (i) A área ou volume de uma zona individual ou grupo de zonas limitadas a uma área ou volume tão pequena quanto possível que não interfere nos usos designados ou com as comunidades aquáticas estabelecidas (ii)uma área simples que seja fácil de alocar no corpo de água que evitem choques ou interferências nas áreas biologicamente importantes IIIZONAS DE MISTURA

45 45 IIIZONAS DE MISTURA

46 46 Resumo Próximo a fonte de diluição: Uma região perto de uma fonte pontual de lançamento onde ocorre mistura inicial e diluição. É uma região onde é admitido que os padrões gerais de qualidade da água sejam excedidos. IIIZONAS DE MISTURA

47 47

48 48 IVDESCARGA ESTUARINA

49 49 Definições: a) Tempo de descarga O tempo necessário para substituir o volume de água doce estuarinoV F na taxa de escoamento que passa através do estuário, que é dado pelo somatório das vazões afluentes [Frequentemente a água doce é assumida como o soluto] b) Prisma de Maré O volume de água que entra em um estuário durante uma maré enchente (baixarmar para preamar). IVDESCARGA ESTUARINA

50 50 Tempo de descarga Tempo médio das partículas do soluto remanesçam no estuário. Também chamado de tempo de descarga Simples estimativa: Tf = Vf/R Tf – tempo de descarga (d) Vf – Volume de água doce (m 3 ) R – Vazão do rio (m 3 /d) Usualmente o tempo de descarga é mais complexo! IVDESCARGA ESTUARINA

51 51 Tempo de descarga É uma função da velocidade (afetado pelo vento/rios/maré) Varia amplamente, dependendo dos processos ambientais e geometria Útel para inter-comparações de estuários IVDESCARGA ESTUARINA

52 52 Estuário BL V M 10 6 V H 10 6 H P 10 6 RTr [m] [m 3 ] [m][m 3 ][m 3 /s][d] Dublin Kinsale Wexford Casheen Cork Killary Shannon Galway Dingle Inter-comparações: Maré/rio s Vent o IVDESCARGA ESTUARINA

53 53 Distribuição espacial: Tempo de descarga varia espacialmente Complexa em função da hidrodinâmica: Correntes Geometria Localização dos rios Banhados, etc. IVDESCARGA ESTUARINA

54 54 VCAPACIDADE ASSIMILATIVA

55 55 Sem definição direta Possíveis definições: a) A relação entre quantidade/qualidade da água e capacidade do ecossistema aquático a resistir aos efeitos de pertubações sem que estes interfiram na qualidade da água do sistema (ou no estado do sistema). b) A habilidade do ecossistema se recuperar por ele mesmo; sua capacidade de receber efluentes ou materiais tóxicos sem promover efeitos deletérios à vida aquática ou aos humanos que usam a água VCAPACIDADE ASSIMILATIVA

56 56 Para rios: Fórmula direta para cálculo da capacidade assimilativa CA = (Max permitido (3mg/l)) – Conc. Rio) x Vazão (m 3 /d) Qual é a concentração no rio (corpo receptor)? (C1xQ1)+ (C2xQ2) (Q1 + Q2) Q1= Vazão no corpo receptor (l/s) Q2= Vazão do efluente (l/s) C1= Conc do parâmetro no corpo receptor (mg/l) C2= Nível de emissão no efluente (mg/l) Conc. Rio = VCAPACIDADE ASSIMILATIVA

57 57 Mais difícil para estuários: Complexa geometria e batimetria Escoamento em regime não permanente Advecção / difusão / dispersão Muita entradas VCAPACIDADE ASSIMILATIVA

58 58 Comentário gerais: Assimilação de nutrientes dentro do estuério resulta em um aumento de biomassa de vegetação aquática e animais. Adição excessiva de nutrientes pode deteriorar substancialmente a qualidade da água. Verificação da Capacidade Assimilativa pode examinar a capacidade do estuário a assimilar uma carga adicional. Uma verificação da capacidade assimilativa pode auxilar órgãos de meio ambiente na tomada de decisão para licenciamento ambiental de atividades antrópipas. Ferramentas computacionais mateméticas podem ser empregadas para o planejamento da qualidade da água VCAPACIDADE ASSIMILATIVA

59 59 Capacidade de Suporte (Carrying Capacity): Maxima carga que um estuário pode assimilar sem ser estressado (ou mudar de estado). Depende da composição de descarga do efluente e.g. nutrientes, DBO Frequentemente refere-se a atividades tal como aquicultura VCAPACIDADE ASSIMILATIVA

60 60 Oscilação entre estados alternativos estáveis: Estados Alternativos

61 61 VIDIMENSIONALIDADE Conceitos: Número de dimensões espaciais (1,2 ou 3) necessárias para descrever os principais processos (ou de interesse) de um estuários. Todos escoamentos são descritos em 3 dimensões. No entanto, em muitos casos as características salientes podem ser adequadamente descritas em 1 ou 2 dimensões.

62 62 Componente-U da velocidade na direção X Componente-V da velocidade na direção Y Componente-W da velocidade na direção Z VIDIMENSIONALIDADE

63 63 Escoamento e transporte unidimensional (1- D): Quando estuários são substancialmente misturados na direção vertical e perpendicular ao fluxo Rios exibem comportamento unidimensional Existe gradientes na direção do escoamento Poluentes são considerados completamente misturados em uma seção transversal ao fluxo Não existem gradientes verticais de temperatura e salinidade Domina a variação longitudinal VIDIMENSIONALIDADE

64 64 Transporte 1-D Variação longitudinal Transporte 2-D Variação no plano Exemplos de transporte em 1-D e 2- D VIDIMENSIONALIDADE

65 65 Escoamento e transporte bidimensional: (Horizontal) Considera um estuário tipicamente bem misturado na vertical Poluentes misturados verticalmente Sem gradientes verticais de temperatura/salinidade/densidade Variações ocorrem no plano horizontalmente em todo o estuário Componente da velocidade na vertical é assumida uniforme com a profundidade VIDIMENSIONALIDADE

66 66 Escoamento e transporte bidimensional Fortes gradientes horizontais de escoamento e substâncias VIDIMENSIONALIDADE

67 67

68 68

69 69

70 70 Escoamento e transporte bidimensional: (Vertical) Considera o estuário (tipo estrangulado) verticalmente estratificado Poluentes não são completamente misturados na vertical Poluentes são misturados na direção perpendicular ao escoamento Gradientes verticais de temperatura/salinidade/densidade Variações ocorrem no plano vertical Exemplo – cabeceira de um estuário Freshwat er Saltwater VIDIMENSIONALIDADE

71 71 VIDIMENSIONALIDADE

72 72 Escoamento e transporte tridimensional: Estuário estratificado verticalmente Poluentes não são completamente misturados na vertical e no plano horizontal Gradientes verticais de temperatura/salinidade/densidade Gradientes horizontais de velocidades e substâncias na água Variações ocorrem horizontalmente e verticalmente em todo o estuário VIDIMENSIONALIDADE


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