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

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

TRANSPORTE EM ESTUARIES CONTEÚDO: I Transporte em Estuários - Introdução II Zonas de diluição de poluentes (near field / far field) III Zonas de Misturas IV Descarga Estuarina V Capacidade de Assimilação VI Dimensionalidade

I TRANSPORTE EM ESTUÁRIOS - INTRODUÇÃO 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

I TRANSPORTE EM ESTUÁRIOS - INTRODUÇÃO 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.

Motivos para estudar qualidade de água Há uma interligação entre qualidade e quantidade de água. Muitos problemas de qualidade estão associados à quantidade de água disponível para diluição de poluentes. Muitas fontes de poluentes surgem junto com a própria formação do escoamento. 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.

Advecção / Difusão / Dispersão I TRANSPORTE EM ESTUÁRIOS - INTRODUÇÃO Advecção / Difusão / Dispersão

I TRANSPORTE EM ESTUÁRIOS - INTRODUÇÃO 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.

Advecção / Difusão / Dispersão I TRANSPORTE EM ESTUÁRIOS - INTRODUÇÃO Advecção / Difusão / Dispersão

Advecção

Advecção

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

Difusão

Difusão

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

1a Lei de Fick - Difusão D é um coeficiente de difusão (unidades de m2/s) J é o fluxo de massa de C massa vai de regiões de mais alta para mais baixa concentração

Dispersão

Dispersão

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

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.

1a Lei de Fick - Dispersão E é um coeficiente de dispersão (unidades de m2/s) J é o fluxo de massa de C massa vai de regiões de mais alta para mais baixa concentração

Coeficiente de dispersão longitudinal Chapra (1997) cap. 14 E: coeficiente de dispersão longitudinal (m2/s) B: largura do rio (m) h: profundidade (m) u: velocidade da água (m/s) S: declividade média (m/m)

I TRANSPORTE EM ESTUÁRIOS - INTRODUÇÃO 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

I TRANSPORTE EM ESTUÁRIOS - INTRODUÇÃO Processos de difusão & dispersão? Difusão & dispersão descritos empiricamente: Coeficiente de difusão turbulenta – units m2/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

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

I TRANSPORTE EM ESTUÁRIOS - INTRODUÇÃO Vento Uw (m/s) Tensão de cisalhamento N/m2 Corrente induzida pelo vento U (m/s) Corrente induzida pela maré U (m/s) 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

I TRANSPORTE EM ESTUÁRIOS - INTRODUÇÃO

I TRANSPORTE EM ESTUÁRIOS - INTRODUÇÃO 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

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

I TRANSPORTE EM ESTUÁRIOS - INTRODUÇÃO b) Transporte induzido por marés Distribuição de salinidade: Processos de mistura Zonas de aprisionamento por Maré Advection Dispersion Zonas de aprisionamento

I TRANSPORTE EM ESTUÁRIOS - INTRODUÇÃO

I TRANSPORTE EM ESTUÁRIOS - INTRODUÇÃO b) Correntes residuais na Baía de Dubai

I TRANSPORTE EM ESTUÁRIOS - INTRODUÇÃO 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

II ZONAS DE DILUIÇÃO DE EFLUENTES

II ZONAS DE DILUIÇÃO DE EFLUENTES 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

II ZONAS DE DILUIÇÃO DE EFLUENTES 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’

II ZONAS DE DILUIÇÃO DE EFLUENTES 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: http://www.cormix.info/ (não considerado no curso)

II ZONAS DE DILUIÇÃO DE EFLUENTES

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 QR e concentração CR recebe a entrada de um afluente com vazão QA e com concentração CA. Admitindo uma rápida e completa mistura das águas, a concentração final é dada por: QA CA QR CR QF CF

Exemplo

III ZONAS DE MISTURA

Zonas de mistura (USEPA): III ZONAS DE MISTURA 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” “uma área simples que seja fácil de alocar no corpo de água que evitem choques ou interferências nas áreas biologicamente importantes”

III ZONAS DE MISTURA

III ZONAS DE MISTURA 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.

IV DESCARGA ESTUARINA

IV DESCARGA ESTUARINA Definições: a) Tempo de descarga O tempo necessário para substituir o volume de água doce estuarinoVF 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).

IV DESCARGA ESTUARINA 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 (m3) R – Vazão do rio (m3/d) Usualmente o tempo de descarga é mais complexo!

IV DESCARGA ESTUARINA 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

IV DESCARGA ESTUARINA Inter-comparações: Estuário B L VM×106 VH×106 H Tr [m] [m3] [m3/s] [d] Dublin 9808 13178 503 601 6.6 0.326 7 1 Kinsale 550 5000 18 22 6.7 0.332 16 3 Wexford 5520 26820 60 75 1.9 0.417 27 10 Casheen 1690 3445 48 0.38 15 Cork 4320 25020 283 358 5.3 0.416 Killary 975 14600 124 138 11.5 0.198 6 Shannon 3024 87507 8701 9456 17.1 0.16 172 116 Galway 13090 29810 3310 3698 13.2 0.21 82 521 Dingle 9250 47500 16630 17230 33.7 0.07 20 871 Maré/rios Vento

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

V CAPACIDADE ASSIMILATIVA

V CAPACIDADE ASSIMILATIVA Sem definição direta Possíveis definições: 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

V CAPACIDADE ASSIMILATIVA Para rios: Fórmula direta para cálculo da capacidade assimilativa CA = (Max permitido (3mg/l)) – Conc. Rio) x Vazão (m3/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 =

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

V CAPACIDADE ASSIMILATIVA 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

V CAPACIDADE ASSIMILATIVA 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

Estados Alternativos Oscilação entre estados alternativos estáveis:

VI DIMENSIONALIDADE 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.

VI DIMENSIONALIDADE Componente-W da velocidade na direção Z Componente-U da velocidade na direção X Componente-V da velocidade na direção Y Componente-W da velocidade na direção Z

Escoamento e transporte unidimensional (1-D): VI DIMENSIONALIDADE 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

Variação longitudinal VI DIMENSIONALIDADE Exemplos de transporte em 1-D e 2-D Transporte 1-D Variação longitudinal Transporte 2-D Variação no plano

Escoamento e transporte bidimensional: (Horizontal) VI DIMENSIONALIDADE 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

Escoamento e transporte bidimensional VI DIMENSIONALIDADE Escoamento e transporte bidimensional Fortes gradientes horizontais de escoamento e substâncias

Escoamento e transporte bidimensional: (Vertical) VI DIMENSIONALIDADE Freshwater Saltwater 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

VI DIMENSIONALIDADE

Escoamento e transporte tridimensional: VI DIMENSIONALIDADE 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