Universidade do Estado do Rio de Janeiro

Universidade do Estado do Rio de Janeiro Centro de Tecnologia e Ciências

Faculdade de Oceanografia

Breylla Campos Carvalho

Variabilidade da resposta da linha de costa aos condicionantes hidrodinâmicos e às oscilações do nível do mar no litoral sul fluminense

Rio de Janeiro

2019

Breylla Campos Carvalho

Variabilidade da resposta da linha de costa aos condicionantes hidrodinâmicos e às oscilações do nível do mar no litoral sul fluminense

Tese apresentada, como requisito parcial para obtenção do título de Doutora, ao Programa de Pós- Graduação em Oceanografia, da Universidade do Estado do Rio de Janeiro. Área de concentração:

Caracterização, diagnóstico e evolução de ambientes marinhos

Orientadora: Prof^a. Drª. Josefa Varela Guerra

Rio de Janeiro 2019

CATALOGAÇÃO NA FONTE

UERJ / REDE SIRIUS / BIBLIOTECA CTC/C

Bibliotecária responsável: Fernanda Lobo / CRB-7: 5265

Autorizo, apenas para fins acadêmicos e científicos, a reprodução total ou parcial desta tese, desde que citada a fonte.

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Assinatura Data

C331 Carvalho, Breylla Campos.

Variabilidade da resposta da linha de costa aos condicionantes hidrodinâmicos e às oscilações do nível do mar no litoral sul fluminense / Breylla Campos Carvalho. – 2018.

192 f. : il.

Orientador: Josefa Varela Guerra.

Tese (doutorado) - Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Faculdade de Oceanografia.

1. Oceanografia física – Rio de Janeiro (RJ) – Teses. 2. Mudanças climáticas - Sondagem (Oceanografia) – Marambaia, Restinga da (RJ) – Teses. 3. Transporte sedimentos - Método longitudinal – Teses. 4.

Sedimentos – Praias – Teses. 5. Dinâmica costeira – Vulnerabilidade – Teses. 6. Teleconexões (Climatologia) – Teses. I. Guerra, Josefa Varela.

II. Universidade do Estado do Rio de Janeiro. Faculdade de Oceanografia.

III. Título.

CDU 551.46 (815.3)

Breylla Campos Carvalho

Variabilidade da resposta da linha de costa aos condicionantes hidrodinâmicos e às oscilações do nível do mar no litoral sul fluminense

Tese apresentada, como requisito parcial para obtenção do título de Doutora, ao Programa de Pós- Graduação em Oceanografia, da Universidade do Estado do Rio de Janeiro. Área de concentração:

Caracterização, diagnóstico e evolução de ambientes marinhos

Aprovada em 08 de julho de 2019.

Orientadora: Prof.ª Drª. Josefa Varela Guerra Faculdade de Oceanografia – UERJ

Banca Examinadora:________________________________________________________

Prof. Dr. Alexandre Macedo Fernandes Faculdade de Oceanografia– UERJ

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Prof. Dr. Eduardo Negri

Faculdade de Oceanografia – UERJ

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Prof.ª Drª. Flavia Moraes Lins de Barros Universidade Federal do Rio de Janeiro

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Prof. Dr. Marcos Nicolás Gallo

Universidade Federal do Rio de Janeiro

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Prof. Dr. Leonardo Azevedo Klumb Oliveira Universidade Federal do Recôncavo da Bahia

Rio de Janeiro 2019

DEDICATÓRIA

Às minhas avozinhas Maria e Francisca (in memoriam) e aos meus avôs Josés (in memoriam).

AGRADECIMENTOS

Às agências de fomento, CAPES, pelas minhas bolsas de doutorado e doutorado sanduíche, CNPq e FAPERJ, pelo custeio das atividades de campo e laboratório.

À minha orientadora, Josefa Guerra, pela oportunidade de pesquisa, disposição e confiança, bem como por propor soluções às adversidades da vida. Obrigada por tudo mesmo!

Aos professores Marcos Gallo, Tadeu dos Reis e Alexandre Azevedo pelo acompanhamento do trabalho ao longo dos seminários internos e pelas sugestões.

Ao professor Dieter Muehe por sempre responder as minhas dúvidas rapidamente.

Ao professor Hélio Villena por ceder os DGPS e abrir os caminhos para que eu soubesse como adquirir e processar os dados topográficos.

Às professoras Claudia Hamacher e Cássia Farias por permitir o uso da capela do laboratório de Oceanografia Química.

Ao professor Eduardo Negri pelos ensinamentos sobre Sensoriamento Remoto e por sempre elucidar minhas dúvidas.

Aos professores Alessandro Filippo e Renata Cardia pelo constante incentivo e pela troca de ideias.

Ao professor Leonardo Klumb pela disponibilização dos registros do WW3 e da rotina de filtragem dos eventos de tempestade.

À professora Flavia Lins de Barros pela parceria, discussões e por permitir que usássemos a infraestrutura da UFRJ nos últimos trabalhos de campo.

Ao André Felippe, secretário da pós, pela sua eficiência em resolver os entraves burocráticos e pela enorme paciência em ajudar nas minhas demandas.

À Danielle Trindade e Ana Gabriela Carmo, respectivamente, ex e atual gestora da APA Orla Marítima, pela autorização de pesquisa na Unidade de Conservação.

À Coordenação de Cartografia da Diretoria de Geociências do IBGE, pela disponibilização das ortofotos da área de estudo.

Ao Centro de Hidrografia da Marinha, em especial ao encarregado da Seção de Intercâmbio de Dados, Jorge Carvalho, pelo fornecimento dos dados sedimentológicos da plataforma continental fluminense.

Ao Douglas Nemes e Francisco Sudau pela oportunidade de participar dos trabalhos de campo na praia da Reserva.

Ao Dan Rosado por ter elaborado a rotina para extrair os metadados das imagens Landsat.

À Maria Angélica Quadros, do IBGE, por sanar minhas dúvidas iniciais sobre mapeamento da linha de costa.

Ao Vitor Barreto e ao Anderson Leite, da Sight, pelo treinamento sobre a aquisição de dados topográficos com DGPS e por responder todas minhas dúvidas, que eram constantes e frequentes, no início dos trabalhos de campo.

Ao José Augusto Sapienza, do LabGIS, pela assistência com os arquivos Rinex e pela disponibilização das licenças dos programas de geoprocessamento e sensoriamento remoto.

Ao Robson Coelho, da GPS Office, pelo auxílio no processamento dos dados topográficos.

Ao Capitão-Tenente Tobias Ramalho, da Marinha do Brasil, por elucidar minhas dúvidas quanto aos registros das boias do programa PNBOIA.

Ao professor Mauro Cirano e ao pesquisador Fernando Dix, do SIMCosta, pela disponibilização dos registros das boias de Copacabana.

Aos alunos da UERJ, Diana Pinho, Julio Cabaleiro, Julyana Marapodi, Keila Medeiros, Marcela Coronel, Márcia Carolina, Nikolas Machado, Paulo Ricardo e Tainá Napoleão, da UFRJ, João Paulo Mello, João Vitor Borsato, Priscila Linhares e Rodrigo Lean, e da UFF, Ohanna Hotz, pela incomensurável ajuda nos trabalhos de campo. Ao motorista Eduardo, da UFRJ, pela disposição e paciência nos últimos campos.

Aos técnicos do Laboratório de Oceanografia Geológica, Felipe Castro, Janaína Gonzaga, Moisés Silva e Pedro Wailant pelo auxílio nos trabalhos de campo e no processamento das amostras de sedimentos.

À Juliana Pena que levou a frente os campos durante meu estágio sanduíche.

Aos meninos do Andaraí, Humberto, Paulo e, especialmente ao Cosmim, que soldou os conectores de bateria aos cabos dos DGPS.

Às minhas amigas oceanógrafas Tatiana Dadalto e Sabrina Fonseca, por não só me ajudarem com as inúmeras rotinas do Matlab, mas também por tornarem minha vida no Rio mais leve e divertida.

À Thaís Barros, Roberto Freires, Natália Sá e José Lunna pela enorme amizade, desde a minha chegada ao Rio.

À Rosuita Roso, por me abrigar em sua casa e me brindar com uma linda experiência de vida.

À Sarah Rodrigues e à Deborah Zornoff pela ajuda com a explicação e tradução, respectivamente, dos documentos necessários para que eu desse entrada no visto holandês.

À TU Delft pela licença educacional do Matlab.

Ao Matthieu de Schipper por ter aceitado minha candidatura de estágio sanduíche na seção de Engenharia Costeira da TU Delft e sempre ter me proporcionado momentos de discussão acadêmica e de vivência da cultura holandesa. Dank ü well!

Aos colegas de sala e corredor, Anna Kron, Anne Ton, Christopher Lashley, Sander Vos e Howard Southgate pelas inúmeras conversas e auxílio com o Delft3D e Bart Roest por me ajudar imensamente no incremento das minhas rotinas do Matlab.

À Anna Dalbosco pela ajuda além-mar na configuração do meu modelo de propagação de ondas, sua ajuda foi crucial.

Aos amigos Gubing Wang, Jorge Guízar e Shahrzad Nikghadam por terem tornado minha estadia em Delft mais divertida e menos solitária.

À Comissão Oceanográfica Intergovernamental (IOC) da UNESCO, em especial ao professor António Hoguane, da Universidade Eduardo Mondlane (Moçambique), pela oportunidade de participar do curso de Análise Espectral de Marés, e aos amigos moçambicanos pela experiência incrível.

Ao amigo Thalles Araújo, Primeiro-Tenente da Marinha do Brasil, pelos ensinamentos de matemática e física, pelo auxílio com o processamento dos dados de nível do mar e de ondas e pelas discussões que propiciaram um grande avanço na minha pesquisa.

Ao Alumni USP pelo armazenamento infinito que permitiu o backup dos meus HD’s que pifaram, múltiplas vezes, no último ano do doutorado e assim consegui recuperar todo meu trabalho.

Aos meus amigos da ETE Lauro Gomes, Rafael Pelegrini, Rayane Nakahama, Vítor Aguiar e Thiago Myasaki, e da FFLCH/USP, André Luiz Ferreira, Barbara Cruz, Karoline Ferreira, Mirella Rosenberg e Thomas Scharage, pela enorme amizade.

À família Campos e Carvalho pelo constante incentivo, pela alegria a cada trabalho apresentado e pelo amor incondicional mesmo com toda a distância.

Ao meu querido pai, Raimundo Claudio, por ser um exemplo para mim e desde sempre me incentivar a fazer o que eu gosto. Eu não poderia ter um pai mais incrível!

Ao meu marido, Humberto Fortunato, pela enorme paciência, ajuda em campo e laboratório, pelas explicações sobre ANOVAS e clusters, discussões, viagens... Enfim, por tornar minha vida mais alegre e feliz. Te amo!

No caminho é que se vê, a praia melhor pra ficar.

Chico Science

Não é um cientista quem o diz e nem um livro. É a natureza, cujos avisos e alertas têm sido insanamente ignorados.

Marina Silva

RESUMO

CARVALHO, Breylla Campos. Variabilidade da resposta da linha de costa aos

condicionantes hidrodinâmicos e às oscilações do nível do mar no litoral sul fluminense.

2019. 192 f. Tese (Doutorado em Oceanografia) – Faculdade de Oceanografia, Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2019.

Dois compartimentos do litoral sul fluminense (SE do Brasil) foram avaliados quanto a resposta da linha de costa às forçantes meteo-oceanográficas nas escalas temporais de longo e médio prazo, bem como foram mapeados os graus de vulnerabilidade à erosão e inundação costeira. Os compartimentos analisados correspondem à restinga da Marambaia, uma ilha barreira de 40km com exígua ocupação urbana, e os arcos praiais Macumba e Recreio-Barra, com extensão de 20km e altamente urbanizados.Na escala de longo prazo (1986 a 2018), foram utilizadas séries históricas de imagens de satélite Landsat, dados de reanálise de ondas do modelo WaveWatch3, registros meteorológicos de uma estação do Instituto Nacional de Meteorologia do Brasil (INMET) e medições do nível médio do mar por meio de um marégrafo localizado na cidade do Rio de Janeiro. Adicionalmente, foram utilizados os índices climáticos Oscilação Sul, Decadal do Pacífico e Multidecadal do Atlântico para avaliar possíveis teleconexões climáticas. Na escala de médio prazo (2016 a 2018), foram levantados, mensalmente, onze perfis topográficos e coletadas amostras de sedimentos da face de praianas praias da Macumba e Recreio-Barra. Complementarmente foram adquiridos os registros de boias oceanográficas ao largo da costa fluminense, em águas profundas e águas rasas, para caracterização hidrodinâmica durante as campanhas amostrais. Estas informações permitiram estimar as taxas de transporte longitudinal a partir de três modelos: CERC, Kamphuis e Bayram. Por fim, todas estas informações permitiram elaborar um Índice de Vulnerabilidade Costeira à erosão e inundação para a área de estudo. De modo geral, 28% da linha de costa encontra-se sob erosão, 32% encontra-se estável e 40% está avançando. No período analisado, foram contabilizados pouco mais de 400 eventos de tempestade, que durante os anos de La Niña foram mais energéticos e culminaram em uma erosão mais severa, em especial na Marambaia. O nível do mar na costa fluminense apresenta tendência de aumento (2,42 mm/ano), porém com leve desaceleração no período de 1989 a 2017 (1,93 mm/ano). Relativo às taxas de transporte sedimentar longitudinal, notam-se que os maiores valores estão associados à ondas de tempestade, com transporte para leste quando há incidência de ondas de SW, e para oeste quando há incidência de ondas de SE. O reflexo destes resultados, somado aos graus de ocupação urbana nas praias estudadas, exibem baixa vulnerabilidade no setor oeste da Marambaia, enquanto que os setores central e extremo leste configuram-se como altamente vulneráveis. Na Macumba o setor oeste exibe baixa vulnerabilidade, em contraste com o setor leste que é muito vulnerável. No arco Recreio- Barra nota-se o aumento da vulnerabilidade de oeste (moderada) para leste (muito alta). Estes resultados indicam que a influência antrópica tem um papel importante em áreas que são naturalmente propensas à alta vulnerabilidade, exigindo maior compreensão das condições naturais associadas às intervenções antrópicas.

Palavras-chave: Praias arenosas. Condicionantes meteo-oceanográficos. Transporte sedimentar longitudinal. Teleconexões climáticas. Vulnerabilidade costeira.

ABSTRACT

CARVALHO, Breylla Campos. Shoreline variability due hydrodynamic conditions and sea level oscillations at Rio de Janeiro Southern coastline. 2019. 192 f. Tese (Doutorado em Oceanografia) – Faculdade de Oceanografia, Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2019.

The shoreline outlines a transition interface between continent and ocean and due to this its behavior may be used as a tool to understand trends followed by exposed coastal systems. In this regard, two compartments of Rio de Janeiro southern coastline, SE Brazil, were evaluated concerning shoreline response to long and medium-term meteo-oceanographic forcings. Thereafter, environmental and social data compilation provided inputs to assess coastal vulnerability due to erosion and inundation. The analyzed compartments correspond to

“restinga da Marambaia”, a 40 km barrier island with sparse urban occupation, and Macumba and Recreio-Barra beach arcs, a highly urbanized 20 km-long sector. Long-term temporal scale (1986 to 2018) analysis comprised Landsat satellite imagery, WaveWatch3 model reanalyzes data, metereological register from the Instituto Nacional de Meteorologia do Brasil (INMET) station and sea level measures from a tidal gauge located at Rio de Janeiro city.

Additionally, comparisons with climatic indices, such as Southern, Pacific Decadal and Atlantic Multidecadal Oscillations, were evaluated to access possible teleconnections. On the other hand, medium-term scale (2016 to 2018) estimations involved monthly survey of eleven topographic profiles and shoreface sediment samples at Macumba and Recreio-Barra beaches.

Oceanographic buoy registers, from deep and shallow waters, were acquired in order to characterize the hydrodynamic conditions during those surveys. These informations allowed to estimate the longshore sediment transport (LST) through three models: CERC, Kamphuis and Bayram. Lastly, both long and medium-term information enabled the construction of a Coastal Vulnerability Index due coastal erosion and inundation for the study area. Overall, 28% of the coastline is under erosion, 32% is stable and 40% is advancing. During the studied period, just above four-hundred storm events were computed, of which during La Niña years the events were more energetic and erosive, especially at Marambaia. The sea level at Rio de Janeiro coastline is rising (2.4 mm/yr), presenting a decelerating trend between 1989 and 2017 (1.9 mm/yr). Regarding the LST rates, it is noticed eastern and western transports related to SW and SE waves, respectively. Also higher values of LST are associated to storminess waves. In terms of vulnerability, Marambaia Western sector exhibits low values owing to its urban occupation level, whereas at Central and Eastern sectors the vulnerability is high. At Macumba, low coastal vulnerability characterizes the Western sector, as opposed to the Eastern zone, where is very high vulnerable. Finally, at Recreio-Barra beach, vulnerability outlines an increasing pattern from west (moderate) to east (very high). In conclusion, these results indicate the important role played by the anthropic influence in areas naturally prone to high coastal vulnerability, demanding a better comprehension of natural conditions associated to anthropic intervations.

Keywords: Sandy beaches. Meteo-oceanographic conditions. Longshore sediment transport.

Climatic teleconnections. Coastal vulnerability

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 – Distribuição global da população costeira... 26

Figura 2 – Erosão e acreção das praias arenosas do mundo... 27

Figura 3 – Diagrama conceitual ilustrando a abordagem morfodinâmica dos sistemas costeiros... 31

Figura 4 – Comparação entre as escalas temporais e espaciais na análise dos processos costeiros e do comportamento morfodinâmico... 32

Figura 5 – Esquema do perfil praial e suas feições características... 33

Figura 6 – Modificações das ondas de águas profundas para águas rasas... 34

Figura 7 – Tipos de quebra de onda... 35

Figura 8 – Características do perfil praial em condições de tempo bom e tempestade... 37

Figura 9 – Fonte dos sedimentos da praia... 38

Figura 10 – Gradação lateral dos sedimentos... 39

Figura 11 – Diagrama esquemático do transporte sedimentar longitudinal... 40

Figura 12 – Estágios morfodinâmicos das praias dominadas por ondas... 41

Figura 13 – Elementos que influenciam os desastres naturais... 42

Figura 14 – Número de desastres por país entre os anos de 1994 e 2013... 43

Figura 15 – Número de desastres por categoria entre os anos de 1994 e 2013... 44

Figura 16 – Trajetória da luz entre fonte, alvo e sensor orbital... 46

Figura 17 – Onda eletromagnética composta pelos vetores elétrico e magnético... 47

Figura 18 – Curvas de absorção e espalhamento da água pura... 49

Figura 19 – Diferentes bandas espectrais de uma cena Landsat 8... 50

Figura 20 – Diferentes resoluções espaciais de uma cena... 50

Figura 21 – Imagem de satélite de diferentes datas... 50

Figura 22 – Diferentes resoluções radiométricas de uma cena... 51

Figura 23 – Mapa de localização da área de estudo... 53

Figura 24 – Mapa geológico da área de estudo... 54

Figura 25 – Taxas de transporte longitudinal na praia da Reserva, calculados por Silva (2015)... 54 Figura 26 – Condições de tempo bom e tempestade ao largo do litoral fluminense. 56

Figura 27 – Fluxograma do procedimento metodológico... 58

Figura 28 – Localização dos pontos de amostragem... 59

Figura 29 – Estação meteorológica da Marambaia... 60

Figura 30 – Boia oceanográfica Cabo Frio 2... 61

Figura 31 – Correlação entre os dados do modelo WW3 e da boia oceanográfica CF2... 62

Figura 32 – Caracterização da intensidade dos eventos de tempestade... 64

Figura 33 – Dendograma para definição das classes de tempestade... 65

Figura 34 – Marégrafo da Ilha Fiscal... 66

Figura 35 – Cobertura sedimentar na área de estudo e plataforma continental adjacente... 69

Figura 36 – Distribuição temporal das imagens Landsat... 70

Figura 37 – Pontos de controle para verificar a acurácia do registro... 71

Figura 38 – Configuração da malha usada no modelo numérico... 73

Figura 39 – Transectos utilizados nos cálculos das taxas de variação da posição da linha de costa... 74

Figura 40 – Boia oceanográfica do programa SiMCosta... 76

Figura 41 – Coleta de amostra de sedimento... 77

Figura 42 – Pontos da Rede de Apoio GNSS... 78

Figura 43 – Aquisição dos dados topográficos com GNSS diferencial... 79

Figura 44 – Determinação da altura ortométrica a partir do modelo de ondulação geoidal... 79

Figura 45 – Fluxograma das etapas de aquisição e processamento dos dados provenientes do sistema GNSS... 80

Figura 46 – Aquisição dos dados topográficos com teodolito e baliza de Emery... 81

Figura 47 – Distribuição mensal dos parâmetros meteorológicos entre 2002 e 2018... 89

Figura 48 – Registro de ventos na estação Marambaia entre 2002 e 2018... 90

Figura 49 – Climatologia de ondas entre 1986 e 2018 no litoral sul do Rio de Janeiro... 91

Figura 50 – Rosa de ondas para os eventos de tempestade ocorridos entre 1986 e 2018... 91 Figura 51 – Contagem e magnitude dos eventos de tempestade a partir do SPI e

do E... 92

Figura 52 – Acumulados mensais e anuais da duração dos eventos de tempestade. 94 Figura 53 – Intervalo médio entre os eventos de tempestade ao longo do ano... 94

Figura 54 – Correlação entre os valores de SPI e E... 95

Figura 55 – Período de retorno dos eventos de tempestade... 96

Figura 56 – Número de eventos e magnitude acumulada por ano... 99

Figura 57 – Modelagem dos cenários de ondas... 101

Figura 58 – Velocidade orbital próximo ao fundo... 102

Figura 59 – Variação anual do nível médio do mar no marégrafo da Ilha Fiscal, entre 1989 e 2017... 104

Figura 60 – Variação mensal do nível médio do mar no marégrafo da Ilha Fiscal, entre 1963 e 2017... 104

Figura 61 – Tendência de variação do nível do mar no marégrafo da Ilha Fiscal, entre 1963 e 2016... 105

Figura 62 – Variação da posição da linha de costa entre 1986 e 2018... 107

Figura 63 – Taxas de mudança na posição da linha de costa entre 1986 e 2018... 110

Figura 64 – Taxa de variação da posição da linha de costa por década... 111

Figura 65 – Projeção de subida do nível do mar com base na tendência calculada para série de 1963 a 2016... 113

Figura 66 – Novos traçados da linha de costa em cenários de elevação do nível do mar... 114

Figura 67 – Traçado da linha de costa da restinga da Marambaia com a subida de 2 cm do nível do mar... 115

Figura 68 – Remobilização dos sedimentos na plataforma continental... 118

Figura 69 – Áreas erosivas na restinga da Marambaia... 120

Figura 70 – Processo erosivo na praia da Macumba... 121

Figura 71 – Extremidades dos arcos praiais Macumba e Recreio-Barra... 122

Figura 72 – Condições hidrodinâmicas entre julho de 2016 e outubro de 2018... 124

Figura 73 – Tipos de quebra de onda observados nos arcos praiais Macumba e Recreio-Barra... 125

Figura 74 – Parâmetros granulométricos das amostras da face de praia nos arcos praiais Macumba e Recreio-Barra entre 2016 e 2018... 126

Figura 75 – Perfis topográficos na praia da Macumba... 128

Figura 76 – Perfis topográficos no arco praial Recreio-Barra... 129 Figura 77 – Variação do volume dos perfis nos arcos praiais Macumba e Recreio-

Barra... 130 Figura 78 – Estágios morfodinâmicos observados nos arcos praiais Macumba e

Recreio-Barra... 131 Figura 79 – Taxas de transporte longitudinal obtidas usando o modelo CERC... 133 Figura 80 – Taxas de transporte longitudinal obtidas usando o modelo de

Kamphuis... 134 Figura 81 – Taxas de transporte longitudinal obtidas usando o modelo de Bayram. 135 Figura 82 – Estimativa do transporte de sedimentos nos arcos Macumba e

Recreio-Barra em períodos de tempo bom e de tempestade... 137 Figura 83 – Transporte longitudinal resultante nos arcos praiais Macumba e

Recreio-Barra após dois anos de monitoramento... 138 Figura 84 – Tipos de quebra de ondas na área de estudo... 139 Figura 85 – Processo de rotação de praia na Macumba... 141 Figura 86 – Variabilidade do volume e da largura nos perfis dos arcos praiais

Macumba e Recreio-Barra... 142 Figura 87 – Estágios morfodinâmicos na área de estudo... 143 Figura 88 – Comparação de setores da área de estudo antes e depois do evento de

tempestade de agosto de 2017 e sua recuperação após um ano... 145 Figura 89 – Exposição de um arenito de praia no arco praial Recreio-Barra... 147 Figura 90 – Vulnerabilidade costeira das variáveis geológicas e geomorfológicas,

oceanográficas, ecológica e antrópicas... 149 Figura 91 – Percentual de cada classe de vulnerabilidade à erosão e à inundação

costeira na restinga da Marambaia e nos arcos praiais Macumba e

Recreio-Barra... 150 Figura 92 – Índice de vulnerabilidade à erosão e à inundação costeira na restinga

da Marambaia e nos arcos praiais Macumba e Recreio-Barra... 151 Figura 93 – Lagoas costeiras do setor oeste da restinga da Marambaia... 152 Figura 94 – Dinâmica morfológica na restinga da Marambaia no setor adjacente

ao canal da Barra de Guaratiba... 153 Figura 95 – Diferentes estágios da vegetação de restinga na área de estudo... 154 Figura 96 – Eco-Orla da praia da Macumba nas manchetes dos jornais cariocas... 155

Figura 97 – Setor central do arco praial Recreio-Barra... 155 Figura 98 – Evolução da mancha urbana no setor leste do arco praial Recreio-

Barra... 156 Figura 99 – Distribuição temporal de índices climáticos para o período

compreendido entre 1986 e 2018... 175 Figura 100 – Filtragem dos dados de nível não astronômico no marégrafo da Ilha

Fiscal (RJ)... 176 Figura 101 – Localização dos pontos de monitoramento ao longo das praias da

Macumba e Recreio-Barra... 181 Figura 102 – Velocidade de decantação dos grãos... 183 Figura 103 – Comparação dos tipos de quebra de onda segundo o número de

Iribarren (ξ) e o coeficiente de gradação do surfe (ε)...

184

Figura 104 – Frequência de concordância entre os índices de tipo de quebra de

onda e a observação visual... 184 Figura 105 – Comparação dos estágios morfodinâmicos segundo o parâmetro

ômega (Ω) e o parâmetro delta (Δ)... 185 Figura 106 – Frequência de concordância entre os índices morfodinâmicos e a

observação visual... 186

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 – Clima de ondas da bacia de Santos segundo Nascimento (2013)... 56

Tabela 2 – Classes de magnitude dos eventos de tempestade... 65

Tabela 3 – Lacunas no registro do nível do marégrafo da Ilha Fiscal... 66

Tabela 4 – Parâmetros do filtro de convolução gaussiano aplicados ao registro do nível do mar... 67

Tabela 5 – Condições de contorno para cada cenário modelado... 72

Tabela 6 – Parâmetros de configuração do modelo... 72

Tabela 7 – Classes de vulnerabilidade para cada variável... 86

Tabela 8 – Categorias de vulnerabilidade... 87

Tabela 9 – Sumário das características dos eventos de tempestade durante anos neutros e de ocorrência de El Niño e La Niña... 98

Tabela 10 – Condições hidrodinâmicas nos pontos de extração para cada cenário modelado... 102

Tabela 11 – Deslocamentos médios em metros na posição da linha de costa entre uma data e outra da imagem de satélite para o período de 1986 a 2018... 108

Tabela 12 – Sumário das taxas de mudança na posição da linha de costa... 112

Tabela 13 – Características meteo-oceanográficas e da resposta da linha de costa durante os eventos de tempestade... 119

Tabela 14 – Resumo das condições hidro e morfodinâmicas para as datas com maiores taxas de transporte longitudinal... 147

Tabela 15 – Limites dos estágios morfodinâmicos do parâmetro ômega (Ω)... 178

Tabela 16 – Limites dos estágios morfodinâmicos do parâmetro delta (Δ)... 179

Tabela 17 – Limites dos tipos de onda a partir do número de Iribarren (ξ)... 180

Tabela 18 – Limites dos tipos de onda a partir do número do coeficiente de gradação do surfe (ε)... 180

Tabela 19 – Fórmulas de velocidade decantação dos grãos testadas neste trabalho... 182

Tabela 20 – Meses com maior número de eventos de tempestade e maior magnitude acumulada. (continua)... 192

Tabela 20 – Meses com maior número de eventos de tempestade e maior magnitude acumulada. (continuação)... 193

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

a Índice de porosidade

AF Areia fina

AG Areia grossa

AM Areia média

AMG Areia muito grossa

AMO Oscilação Multidecadal do Pacífico AMP Assimetria muito positiva

AP Assimetria positiva

ASAS Anticiclone Subtropical do Atlântico Sul

B1 Cenário de tempo bom 1 da propagação de ondas B1_LST Cenário de tempo bom 1 do transporte logitudinal B2 Cenário de tempo bom 2 da propagação de ondas B2_LST Cenário de tempo bom 2 do transporte logitudinal BCL Banco e calha longitudinal

BNDO Banco Nacional de Dados Oceanográficos BPC Banco e praia de cúspide

BS Bem selecionada

BT Bancos transversais

CF2 Boia oceanográfica Cabo Frio 2 CHM Centro de Hidrografia Marinha

d Dia

D* Diâmetro adimensional da partícula D50 Tamanho mediano do grão

DJF Dezembro - Janeiro - Fevereiro Dp Direção de pico da onda dp Profundidade local

DSAS Digital Shoreline Analysis System

dt Duração do evento

E Energia total da onda EE Energia eletromagnética

ESE Leste-sudeste

ETC-CCA European Topic Centre on Climate Change Impacts, Vulnerability and Adaptation

F Fluxo de energia da onda

FIR Filtro de resposta a impulso finita g Aceleração da gravidade

GLOSS Global Sea Level Observing System GNSS Sistema Global de Navegação por Satélite

hab Habitantes

Hmax Altura máxima da onda Hs Altura significativa da onda

Hsb Altura significativa da onda na arrebentação IBGE Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística ICS International Coastal Symposium

IDW Inverso das distâncias

INEA Instituto Estadual do Ambiente

INMET Instituto Nacional de Meteorologia do Brasil

IPCC Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas IVC Índice de vulnerabilidade costeira

JJA Junho - Julho - Agosto

K Curtose

KLST Coeficiente empírico

L Leste

L1TP Nível 1 de Precisão do Terreno

LC Linha de costa

Le Leptocúrtica

LRR Taxa de regressão linear

LST Transporte sedimentar longitudinal mb Declividade do perfil praial

MBS Muito bem selecionada MDT Modelo digital de terreno

Me Mesocúrtica

MLe Muito leptocúrtica

MoBS Moderadamente bem selecionada MoS Moderadamente selecionada MPl Muito platicúrtica

MZ Tamanho médio do sedimento AN Assimetria negativa

NDWI Índice de Diferença Normalizada da Água

NE Nordeste

NIR Infravermelho próximo

NM Nível do mar

NO Noroeste

nº Número

NOAA National Oceanic and Atmospheric Administration P Magnitude do fluxo de energia da onda

P1 Perfil 1

P2 Perfil 2

P3 Perfil 3

P4 Perfil 4

P5 Perfil 5

P6 Perfil 6

P7 Perfil 7

P8 Perfil 8

P9 Perfil 9

P10 Perfil 10

P11 Perfil 11

PDO Oscilação Decadal do Pacífico

Pl Platicúrtica

PNBOIA Programa Nacional de Boias

Pper Fluxo de energia da onda perpendicular à costa

QB Modelo de Bayram

QC Modelo CERC

QK Modelo de Kamphuis

QS Quase simétrica

r Coeficiente de correlação de Pearson

R Refletivo

R² Coeficiente de determinação

R²adj Coeficiente de determinação ajustado

RBMC Rede Brasileira de Monitoramento Contínuo dos Sistemas GNSS RCP Representative Concentration Pathway

REM Radiação eletromagnética

RINEX Receiver Independent Exchange Format RJ-3 Boia oceanográfica Copacabana RJ-3 RJ-4 Boia oceanográfica Copacabana RJ-4 RMSE Raiz quadrada do erro-médio

S Sul

SCE Envelope da mudança da linha de costa

SE Sudeste

SIG Sistema de Informação Geográfica

SiMCosta Sistema de Monitoramento da Costa Brasileira

SK Assimetria

SO Sudoeste

SOI Índice do Oscilação Sul

SPI Índice de energia da tempestade

SSE Sul-sudeste

SSO Sul-sudoeste

SWAN Simulating Waves Near Shore SWIR Infravermelho médio

T Período da onda

T1 Cenário de tempestade 1 da propagação de ondas T1_LST Cenário de tempestade 1 do transporte logitudinal T2 Cenário de tempestade 2 da propagação de ondas T2_LST Cenário de tempestade 2 do transporte logitudinal TBM Terraço de baixa mar

TG Valor de retorno máximo anual Tp Período de pico da onda

Ubot Velocidade orbital próximo ao fundo UNDP United Nations Development Programme

USGS United States Geological Survey V Corrente longitudinal

WAFO Wave Analysis for Fatigue and Oceanography

WW3 WaveWatch 3

wZ Velocidade de decantação dos grãos

LISTA DE SÍMBOLOS

km

~

% km² m s α nm μm m³/ano

Quilômetro Aproximadamente Porcentagem

Quilômetro quadrado Metro

Segundo Alfa Nanômetro Micrômetro

Metro cúbico por ano m³/dia Metro cúbico por dia

°C Grau Celsius

mm Milímetro

mm/ano Milímetro por ano

 Rô

kg/m³ Quilograma por metro cúbico m/s² Metro por segundo quadrado

 Lambda

 Pi

W/m Watt por metro kW/m Quilowatt por metro m²/h Metro quadrado por hora kJ/m Quilojaule por metro

 Menor que

 Maior que

 Mais ou menos

 Menor igual que

m²/s³ Metro quadrado por segundo cúbico H2O2 Peróxido de hidrogênio

HCl Ácido clorídrico

Φ Phi

 Sigma

cm Centímetro

Hz Hertz

 Gama

 Teta

 Épsilon

 Úpsilon

° Grau

m/s Metro por segundo

cm/s/ano Centímetro por segundo por ano cm/ano Centímetro por ano

m³ Metro cúbico

m³/h Metro cúbico por hora

SUMÁRIO

INTRODUÇÃO ... 26 1 OBJETIVOS ... 30 1.1 Geral ... 30 1.2 Específicos ... 30 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ... 31 2.1 Morfodinâmica costeira ... 33 2.2 Vulnerabilidade costeira ... 41 2.3 Sensoriamento Remoto aplicado aos estudos costeiros ... 46 3 DESCRIÇÃO DA ÁREA DE ESTUDO ... 52 3.1 Geologia e geomorfologia regional ... 52 3.2 Aspectos meteo-oceanográficos ... 55 4 MATERIAIS E MÉTODOS ... 57 4.1 Dados de longo prazo (décadas) ... 57 4.1.1 Dados meteorológicos ... 57 4.1.2 Dados de ondas ... 60 4.1.2.1 Caracterização de eventos de tempestade ... 62 4.1.3 Medição do nível médio do mar ... 65 4.1.4 Dados batimétricos e topográficos ... 67 4.1.5 Dados sedimentológicos ... 68 4.1.6 Imagens de satélite da série Landsat ... 68 4.1.7 Propagação de ondas de águas profundas para águas rasas ... 71 4.1.8 Mapeamento e taxas de variação da posição da linha de costa ... 73 4.1.9 Modelos simplificados de elevação do nível do mar ... 75 4.2 Dados de médio prazo (anos) ... 76 4.2.1 Observação de ondas ... 76 4.2.2 Análise granulométrica ... 77 4.2.3 Levantamento topográfico ... 78 4.2.4 Cálculo das taxas de transporte longitudinal ... 81 4.3 Confecção do índice de vulnerabilidade costeira ... 83 4.3.1 Variáveis geológicas e geomorfológicas ... 83 4.3.2 Variáveis oceanográficas ... 84

4.3.3 Variável ecológica ... 84 4.3.4 Variáveis antrópicas ... 85 4.3.5 Cálculo e classificação do índice ... 85 5 CONDIÇÕES METEO-OCEANOGRÁFICAS E VARIAÇÕES DA

POSIÇÃO DA LINHA DE COSTA ENTRE 1986 E 2018 ... 88 5.1 Condições meteorológicas ... 88 5.2 Clima de ondas ... 90 5.2.1 Propagação das ondas ... 100 5.3 Nível médio do mar ... 103 5.4 Posição da linha de costa e taxas de mudança entre 1986 e 2018 ... 106 5.5 Cenários de elevação e novos traçados da linha de costa ... 112 5.5 Discussão ... 115 6 OBSERVAÇÕES OCEANOGRÁFICAS E MORFODINÂMICAS ENTRE

2016 E 2018 ... 123 6.1 Observações hidrodinâmicas ... 123 6.2 Análise sedimentológica e topográfica dos perfis praiais... 125 6.3 Transporte longitudinal ... 132 6.4 Discussão ... 138 7 VULNERABILIDADE COSTEIRA EM DOIS COMPARTIMENTOS DO

LITORAL SUL FLUMINENSE ... 148 7.1 Vulnerabilidade das variáveis geológicas e geomorfológicas, oceanográficas,

ecológica e antrópicas ... 148 7.2 Vulnerabilidade à erosão e à inundação costeira ... 150 7.3 Discussão ... 152 CONCLUSÕES ... 157 Sugestões de trabalhos futuros ... 158 REFERÊNCIAS ... 159 APÊNDICE A – Teleconexões climáticas ... 175 APÊNDICE B – Variação do nível do mar no Rio de Janeiro ... 176 APÊNDICE C – Aplicabilidade do uso de índices morfodinâmicos em praias arenosas intermediárias... 177 APÊNDICE D – Eventos de tempestade no litoral sul fluminense ... 192

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INTRODUÇÃO

As zonas costeiras, ambientes de interface entre continente e oceano, são áreas densamente ocupadas (LUIJENDIJK et al., 2018), onde aproximadamente10% da população mundial vive a menos de 10 m acima do nível do mar e 40% vivem até 100 km perto da costa (Figura 1)(FIRTH et al., 2016). No Brasil, ao longo de aproximadamente 9.200 km de costa (DINIZ et al., 2019), reside cerca de ~18% da população e localizam-se 16 das 28 regiões metropolitanas do país (NICOLODI; PETERMANN, 2010). Por isso, entender as mudanças morfológicas destas zonas é de suma importância, pois elas implicam em consequências diretas na sustentabilidade das comunidades, estruturas e ecossistemas costeiros (MENTASCHI et al., 2018).

Figura 1 – Distribuição global da população costeira.

Fonte: modificado de United Nations, 2018 e United Nations Environment Programme, 2007 pela autora, 2019.

Recentemente dois trabalhos de observação de mudanças de longo prazo nas zonas costeiras, apoiados na análise de imagens de satélite, desenharam um panorama global das áreas de erosão, acreção e estabilidade costeira e a que taxas estão ocorrendo estas modificações. No trabalho apresentado por Mentaschi et al. (2018), os autores verificaram que, entre 1985 e 2015, ~28.000 km²de áreas costeiras foram erodidas, enquanto os ganhos foram de ~14.000 km². Na costa da América do Sul, assim como nas costas do Pacífico asiático, leste africano e oeste australiano, a erosão média esteve acima de 50 m. Analisando

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os possíveis fatores que influenciaram esta tendência, eles encontraram estreitas relações com as atividades humanas, seja alterando diretamente o sistema costeiro ou interferindo/acelerando as tendências naturais.

Já o trabalho realizado por Luijendijk et al. (2018), teve como foco principal as praias arenosas, que constituem 31% de toda linha de costa mundial. Para o período compreendido entre 1985 e 2016, verificou-se que 24% das praias arenosas do mundo encontravam-se sob erosão, 28% sob acreção e 48% foram consideradas estáveis. Relativo às taxas erosivas (Figura 2), cerca de 7% das praias arenosas encontravam-se sob severa erosão, quando as taxas são superiores a 0,5m/ano. Segundo os autores não existe uma única e simples explicação que esclareça os padrões encontrados, mas é possível identificar fatores naturais e antrópicos que expliquem as tendências locais de erosão ou acreção, como mineração de areia e subsidência local, instalação de estruturas costeiras e engordamentos de praia.

Figura 2 – Erosão e acreção das praias arenosas do mundo.

Legenda: As cores em verde e vermelho indicam acreção e erosão, respectivamente, das praias arenosas. Os valores apresentados no mapa referem-se a média geral para cada continente.

Fonte: Modificado de Luijendijk et al., 2018 pela autora, 2019.

A partir de levantamentos realizados por pesquisadores de todo o país na zona costeira compreendida entre Rio Grande do Sul e Amapá e organizados pelo professor Dieter Muehe em uma segunda versão do livro Erosão e Progradação do Litoral Brasileiro(MUEHE, 2018), verificou-se que entre 60 e 65 % da linha de costa das regiões Norte e Nordeste encontram-se sob erosão, enquanto que nas regiões Sul e Sudeste o percentual erosivo é ligeiramente menor, ~15%. Contudo, o estudo ressalta que apesar de algumas zonas costeiras não estarem sob erosão, as mesmas indicam tendência erosiva, como nos estados de São Paulo e Rio de Janeiro, em que os percentuais são de12% e 38%, respectivamente.

+1,27 m/ano +0,12 m/ano

+0,26 m/ano

+0,09 m/ano -0,07 m/ano

-0,20 m/ano 0,5 - 2 2 - 5 5 - 10 > 20

Taxas (m/ano)

28

No estado do Rio de Janeiro, onde aproximadamente 60% da população vive em municípios litorâneos (MUEHE; VALENTINI, 1998), as praias arenosas fluminenses têm sido estudadas quanto à sua cobertura e dinâmica sedimentar, evolução geológica recente e morfodinâmica costeira. Contudo, nos arcos praiais do litoral voltado para o quadrante sul, em especial o setor compreendido entre as baías de Guanabara e Sepetiba, os estudos ocorrem de maneira pontual, no tempo e no espaço, e não analisam de modo integrado os processos de longo e médio prazo que moldam tais ambientes.

Outro ponto a ser levado em consideração é a ocorrência de eventos extremos e seus efeitos sobre este setor do litoral fluminense. Em trabalho realizado por Santos et al. (2004), pesquisou-se a frequência de tempestades e os problemas a elas associados num período de 107 anos para um setor do litoral fluminense (Niterói), constatando-se que a duração média de cada ressaca é de aproximadamente 5 dias e a maior frequência ocorre entre os meses de março e agosto. Recentemente, Lins-de-Barros, Klumb-Oliveira e Lima (2018) fizeram uma avaliação histórica da ocorrência de ressacas marinhas e dos danos associados no litoral sul- sudeste do estado do Rio de Janeiro, para o período compreendido entre 1979 e 2013, verificando que no período entre abril e setembro houve maior frequência destes eventos, em geral associados a danos às estruturas costeiras adjacentes a linha de costa. Ainda neste sentido, em trabalho realizado por Muehe (2011)entre as praias de Niterói e Arraial do Cabo (RJ), observou-se que os processos erosivos presentes nas praias estudadas seriam uma resposta aos eventos extremos, e não uma tendência de retrogradação da linha de costa. Os desequilíbrios verificados na morfodinâmica de algumas praias do litoral fluminense se tornam mais intensos em períodos de El Niño, ocasionando desequilíbrio no balanço de transporte de sedimentos(MUEHE; ROSMAN, 2007). Tessler (2008) ao mapear os graus de risco natural do litoral brasileiro, verificou que as praias oceânicas do litoral sul fluminense estavam sob riscos alto e muito alto.

Diante deste panorama, duas perguntas iniciais foram feitas: “Como os processos hidrodinâmicos atuam neste setor do litoral?” e “Quais os padrões de transporte sedimentar?”.

A resposta a esses questionamentos iniciais possibilitaria compreender como as praias arenosas do litoral oeste-leste fluminense respondem a diferentes condições hidrodinâmicas em diversas escalas temporais. Compreendendo este ambiente em diferentes cenários, seria possível desenhar possibilidades futuras de resposta da linha de costa em condições extremas, p. ex. elevação do nível do mar, e, assim, avaliar o quão vulnerável é a linha de costa em face as condições atuais e futuras. Assim, a hipótese central deste trabalho parte do pressuposto que ambientes costeiros não antropizados apresentam comportamento mais estável – maior

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resiliência e menor vulnerabilidade à riscos naturais – quando comparados aos ambientes modificados diretamente pela ação humana.

Neste sentido, para verificar o comportamento dos ambientes costeiros, o monitoramento praial em escala temporal de longo prazo, que envolve o período de décadas, é o ideal para que estas respostas possam ser respondidas, além de ajudar a compreender a morfodinâmica atual. No entanto, o monitoramento in situ demanda altos custos e recursos humanos disponíveis para execução do trabalho. Isso sem falar que muitas áreas do litoral nem sempre são de fácil acesso. Porém, estes são fatos que não inviabilizam o trabalho, já que é possível se apoiar em ferramentas como o sensoriamento remoto para estudar o comportamento das áreas costeiras (SPLINTER; HARLEY; TURNER, 2018).

Assim, a margem oceânica da restinga da Marambaia – área sem ocupação urbana e de acesso restrito – e os arcos praiais Macumba e Recreio-Barra, localizados na zona oeste da cidade do Rio de Janeiro – área densamente urbanizada e com intervenções antrópicas ao longo de sua extensão, como calçadão, muros e enroncamentos – foram escolhidas como área de estudo. Esta escolha justifica-se, não só pelo fato de existirem poucos estudos neste litoral que busquem compreender de maneira integrada os processos hidrodinâmicos e a resposta da linha de costa, mas também porque o aumento de eventos extremos (REGUERO; LOSADA;

MÉNDEZ, 2019; YOUNG; RIBAL, 2019), a crescente subida do nível do mar (LOSADA et al., 2013) e o aumento da erosão costeira (MENTASCHI et al., 2018) demandam trabalhos deste tipo. Além disto, buscou-se aliar o uso de extenso banco de dados oceanográficos e imagens de satélite gratuitas para avaliar o comportamento da área de estudo em uma escala de longo prazo (escala histórica na concepção de WOODROFFE;MURRAY-WALLACE, 2012) a monitoramentos in situ em uma escala de médio prazo (escala de eventos segundo WOODROFFE;MURRAY-WALLACE, 2012).

A tese está organizada em sete capítulos. No Capítulo 1 são apresentados os objetivos geral e específicos da presente pesquisa. No Capítulo 2 são expostos os recortes teóricos sobre morfodinâmica e vulnerabilidade costeira, bem como sobre os princípios do sensoriamento remoto aplicados aos estudos costeiros. No Capítulo 3 é feita uma descrição dos aspectos ambientais da área de estudo. No Capítulo4 são descritos os materiais e métodos utilizados nas escalas temporais de longo e médio prazo e como foi confeccionado o índice de vulnerabilidade à erosão e inundação costeira. No Capítulo 5 e 6 são apresentados e discutidos os resultados das escalas temporais de longo e médio prazo, respectivamente. No Capítulo 7 são apresentados e discutidos os resultados da aplicação do índice de vulnerabilidade costeira.

Por fim, são tecidas as conclusões da pesquisa.

30

1 OBJETIVOS

1.1 Geral

O objetivo principal deste trabalho é compreender a variabilidade da resposta da linha de costa da margem oceânica da restinga da Marambaia e dos arcos praiais Macumba e Recreio-Barra (RJ) frente aos condicionantes hidrodinâmicos e às oscilações do nível do mar.

1.2 Específicos

Para atingir o objetivo geral, alguns objetivos específicos foram estabelecidos:

a) Avaliar as mudanças na posição da linha de costa e nos condicionantes meteo-oceanográficos entre 1986 e 2018;

b) Verificar as mudanças topográficas e sedimentológicas da linha de costa entre 2016 e 2018;

c) Analisar o clima de ondas local e seus impactos na linha de costa entre os anos de 1986 e 2018;

d) Examinar a resposta da linha de costa à cenários futuros de elevação do nível do mar.

e) Classificar a linha de costa quanto a vulnerabilidade à erosão e à inundação costeira.

31

2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

O ambiente costeiro é um sistema geomórfico dinâmico controlado por condições ambientais que irão moldá-lo, como a geologia local ou regional, a disponibilidade de sedimentos e as forçantes externas que fornecem a energia necessária para dirigir os processos e a evolução costeira (BOSBOOM; STIVE, 2011; COWELL; THOM, 1994; MASSELINK;

HUGHES, 2003). A zona costeira é uma área muitas vezes densamente urbanizada e o interesse por ela tem grande importância social, pois é a base econômica de muitas nações (MASSELINK; GEHRELS, 2014). Desta forma, a pressão exercida nestas áreas é grande, afetando o sistema costeiro e trazendo prejuízos aos ecossistemas a ele associados. Sem contar que o superdesenvolvimento de urbanização e infraestrutura neste ambiente significa um aumento da vulnerabilidade à erosão e à inundação costeira(LINS-DE-BARROS, 2017;

MASSELINK; GEHRELS, 2014).

A evolução dos ambientes costeiros é o resultado de processos morfodinâmicos que ocorrem em resposta às mudanças nas condições externas (WRIGHT; THOM, 1977), compreendendo três elementos que se encontram interligados (morfologia, processos e transporte sedimentar), que exibem certo grau de autonomia em seu comportamento, mas que são dirigidos e controlados por fatores ambientais (MASSELINK; GEHRELS, 2014;

WRIGHT; THOM, 1977) (Figura 3).

Figura 3 – Diagrama conceitual ilustrando a abordagem morfodinâmica dos sistemas costeiros

Fonte: modificado de Masselink, 2012 pela autora, 2019.

Uma característica das propriedades dos processos morfodinâmicos diz respeito ao feedback cíclico (looping) (positivo – auto-regulação, ou negativo – auto-organização) entre topografia e dinâmica dos fluídos que dirigem o transporte sedimentar, produzindo mudanças na morfologia (COWELL; THOM, 1994; HARDISTY, 1990; KOMAR, 1976). Nas últimas

32

décadas, tem havido intensa discussão acerca do conceito de auto-organização, que se refere ao desenvolvimento de feições morfológicas com determinada forma e espaçamento que possam ter surgido de mútuas interações entre forma e processo (COCO, 2003;

MASSELINK; GEHRELS, 2014; WERNER; FINK, 1993).

Segundo Cowell e Thom (1994) a evolução das formas costeiras é inerentemente não- linear e dependente do tempo como consequência dos efeitos combinados do feedback morfodinâmico e da introdução de incertezas ao sistema (comportamento Markoviano).

Assim, os detalhes da evolução costeira são imprevisíveis, irrepetíveis e irreversíveis. Neste sentido, este complexo sistema geomorfológico tem o desenvolvimento de suas feições de relevo influenciadas tanto por forçantes naturais como antrópicas (VAN MAANEN et al., 2016). Logo, o conhecimento dessas forçantes permitirá compreender melhor a variabilidade morfodinâmica presente nestes sistemas ao longo do tempo, desde a escala temporal de longo prazo, quanto de curto prazo, possibilitando a previsão de sua evolução futura (Figura 4).

Figura 4 – Comparação entre as escalas temporais e espaciais na análise dos processos costeiros e do comportamento morfodinâmico.

Legenda: Os círculos vermelhos destacam as escalas temporais investigadas neste trabalho (longo prazo – 32 anos – e médio prazo – 2 anos) e o círculo verde indica a escala de modelagem da resposta futura da linha de costa aplicada neste estudo.

Nota: Baseado nos modelos esquemáticos de Cowell e Thom (1994) e Woodroffe (2002).

Fonte: modificado de Woodroffe e Murray-Wallace,2012 pela autora, 2019.

33

2.1 Morfodinâmica costeira

A morfologia das costas clásticas – ambientes deposicionais com lama, areia e/ou grânulos – responde à dominância relativa dos fluxos fluviais, ondas e correntes de maré (MASSELINK; HUGHES, 2003). Desta forma, conforme pontuam Wright e Thom (1977), a morfodinâmica costeira é o “ajustamento mútuo da topografia e dos fluídos hidrodinâmicos, envolvendo transporte sedimentar”, sendo este um paradigma nos estudos da evolução costeira.

A costa é a zona compreendida entre o limite da linha de maré baixa e o limite superior da ação das ondas, em geral a base da falésia, das dunas ou da vegetação de restinga permanente. Inclui-se nela a face de praia, exposta na maré baixa e submersa durante a maré alta, e o pós-praia, que se estende em direção ao continente a partir da linha de maré alta, mas que é inundada episodicamente durante eventos de tempestade (BIRD, 2008). A zona da antepraia superior (nearshore, na concepção de Calliari et al., 2003), compreende as zonas de surfe e de espraiamento, migrando de acordo com a subida e descida da maré. A zona de arrebentação das ondas marca o limite da antepraia superior com a costa afora (offshore) (Figura 5) (BIRD, 2008; CALLIARI et al., 2003; DAVIDSON-ARNOTT, 2010; KOMAR, 1976; SHORT; JACKSON, 2013).

Figura 5 – Esquema do perfil praial e suas feições características.

Fonte: Garrison, 2010.

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Ondas, correntes e maré movem o sedimento na antepraia superior e zona intermarés de acordo com a subida e descida do nível do mar. Devido ao papel desempenhado pelas forçantes hidrodinâmicas, a morfologia praial está em constante mudança, p. ex. a face de praia é frequentemente diversificada por zonas efêmeras de material mais fino e mais grosso dispostas em vários padrões e por feições menores, como cristas, terraços e cúspides. Em suma, os processos da antepraia moldam a morfologia da praia (HARDISTY, 1990), mas há o feedback, pela qual a morfologia da praia influencia os processos que trabalham na antepraia (KOMAR, 1976).

Neste sentido, uma das mais importantes entradas de energia na zona costeira advém das ondas geradas pelos ventos, que em conjunto com as correntes geradas pelas ondas, são responsáveis pela erosão costeira e pelo transporte de sedimentos (DAVIDSON-ARNOTT, 2010). As ondas geradas por ventos são periódicas e aparecem como ondulações na superfície do mar caracterizadas por um ponto de máxima altura, a crista, seguida de um ponto de mínima, a cava. As ondas também são consideradas progressivas, no sentido em que viajam pela superfície do mar na direção em que os ventos que as gerou sopram (DAVIDSON- ARNOTT, 2010; KOMAR, 1976). Ao longo do trajeto de águas profundas para águas rasas, as ondas passam por transformações, começam a “sentir” o fundo, fazendo com que sua velocidade e comprimento diminuam progressivamente. Sua altura passa a aumentar e o período é o único parâmetro que permanece constante: as cristas se tornam instáveis e quebram (Figura 6) (KOMAR, 1976).

Figura 6 – Modificações das ondas de águas profundas para águas rasas.

Fonte: modificado de Heath, [s.d.] pela autora, 2019.

35

De acordo com Galvin (1968) existem quatro tipos de quebras de ondas (Figura 7):

deslizante, mergulhante, colapsante e ascendente. As quebras deslizantes são pequenas e altas, têm picos graduais até que a crista se torne instável e caia em cascata como “água branca”

(bolhas e espumas). No tipo mergulhante, a face da onda voltada para a costa se torna vertical e mergulha para baixo como uma massa de água intacta, produzindo pequeno espraiamento, mas forte refluxo. A quebra colapsante diminui à medida que se move em direção à costa. Por fim, a quebra ascendente faz a onda crescer como se fosse mergulhar, mas sua base ondula sobre a face de praia, então a crista colapsa e desaparece (BIRD, 2008; KOMAR, 1976).

Figura 7 – Tipos de quebra de onda.

Nota: Tipos de quebra conforme a classificação de Galvin (1968).

Fonte: modificado de Lagasse et al., 2009 pela autora, 2019.

Em experimento realizado na praia de Duck, na costa oeste dos Estados Unidos, durante o verão boreal de 1985, onde as ondas se aproximavam em ângulo normal à costa com altura e período médio de 0,5 m e 12 s, respectivamente, Beach e Sternberg (1996) utilizaram correntômetros, sensores de pressão e sensores ópticos de medição de concentração de sedimentos em suspensão ao longo de 5 transectos normais a costa para verificar os efeitos das ondas mergulhantes no transporte sedimentar. Eles verificaram que as ondas mergulhantes foram responsáveis por 50 a 60% do material ressuspendido e por 50 a 60% do transporte sedimentar longitudinal. Também observaram que a ressuspensão dos sedimentos estaria limitada a uma região estreita, próximo ao ponto de quebra da onda. Segundo os autores, os registros deste trabalho foram de encontro aos resultados encontrados por Kana (1979), em que os principais fatores que governam a concentração de sedimentos na zona de surfe são altura acima do fundo, tipo de quebra e distância do ponto de quebra da onda.

De acordo com Bird (2008), os tipos de quebra da onda podem configurar ondas

“construtivas” (deslizante, colapsante e ascendente) e “destrutivas” (mergulhante). Em linhas gerais, no primeiro tipo, as ondas levam os sedimentos para a praia, através de forte fluxo em

36

direção à praia, o espraiamento (swash), tendo suave refluxo (backwash). Já as ondas destrutivas, produzem pequeno espraiamento e um vigoroso movimento de retorno, erodindo a face de praia (JUNIOR; PEREIRA, 2017).

Contudo, a declividade, cobertura sedimentar e porosidade dos grãos da face de praia podem influenciar o modelo de espraiamento e refluxo da onda. Ondas relativamente suaves podem ser destrutivas se a topografia da antepraia superior e da face de praia forem íngremes (BIRD, 2008). Ainda de acordo com o autor, em praias arenosas, as ondas que arrebentam são mais propensas a erodir o perfil onde o refluxo é mais efetivo em mover o sedimento em direção ao mar.

Outra consideração sobre o poder destrutivos das ondas, diz respeito às ondas de tempestade, que em geral vêm acompanhadas de ventos fortes, que além de aumentar a altura da onda localmente, pode transportar sedimentos da praia para outras zonas do perfil, como o pós-praia (BIRD, 2008). Outra característica marcante das ondas de tempestade, segundo o autor, é a construção de escarpas erosivas na face de praia, escavadas nos momentos de maior energia das ondas.

Além da importância das ondas como atuantes na modelagem costeira, as correntes também desempenham papel importante no transporte sedimentar praial e na construção de feições costeiras. De acordo com Bird (2008), as correntes podem ser geradas de várias maneiras e terem múltiplas origens, sendo as mais usuais: correntes de retorno, correntes geradas por ondas, correntes de maré, correntes oceânicas, correntes geradas pelo vento e correntes fluviais.

As correntes geradas por ondas podem dividir-se em duas componentes: normais (ou transversais) e paralelas (ou longitudinais) à costa. A chegada das ondas com certo ângulo () em relação à costa, em geral não excedendo 10°, diferenças de nível devido a variações locais na altura da onda, fluxos de maré, difração da onda ou tensão cisalhante direta do vento são alguns dos mecanismos que geram estas correntes (CARTER, 1991; KOMAR, 1976;

PETHICK, 1984). As ondas ao quebrarem, dissipam parte de sua energia, gerando uma corrente estreita que transporta o sedimento que foi suspenso durante a quebra (GARRISON, 2010).

De acordo com Pethick (1984), alguns trabalhos clássicos, como os de Bascom, (1953) e Shepard e Inman (1950), demostraram a relação entre tipos de ondas e gradiente do perfil praial, em que ondas menos energéticas, contribuem para construção da berma e progradação da face de praia em direção ao mar, formando um perfil mais íngreme (perfil de tempo bom).

Durante condições de ondas de tempestade, ocorre a erosão da face de praia e o sedimento é

37

transportado em direção ao mar, formando barras longitudinais e alargando o perfil praial (perfil de tempestade) (Figura 8).

Figura 8 – Características do perfil praial em condições de tempo bom e tempestade.

Fonte: Modificado de Komar, 1976 pela autora, 2019.

Ao longo do tempo, o nível do mar (NM) apresenta variações, sendo que as principais flutuações são as marés com movimentos diários de subida e descida. As variações sazonais, como ocasionadas durante eventos de tempestade ou por mudanças na temperatura da superfície do mar, também são importantes, pois resultam em mudanças no comportamento praial, como inundação das áreas topograficamente mais baixas e erosão costeira (KOMAR, 1976). De acordo com o autor, a elevação gradual do NM pode progressivamente aumentar a zona de inundação costeira, assim áreas antes consideradas seguras serão afetadas por marés extremas e tempestades. O autor ainda destaca que os efeitos da linha de costa à elevação do NM são antecipados pelo aumento nas taxas erosivas.

Outro parâmetro importante no entendimento da morfologia costeira, diz respeito aos sedimentos que compõem a praia, que podem ser de qualquer material disponível e de tamanho variado (Figura 9) (KOMAR, 1976). Ainda segundo Komar (1976), a composição dos sedimentos litorâneos reflete as fontes e sua relativa importância. A maioria das praias ao redor do mundo são compostas principalmente de grãos de quartzo e feldspato, derivados do intemperismo de rochas graníticas, gnaisses e xistos, abundantes nos continentes. Além destes tipos de grãos, as praias contêm pequenas quantidades de minerais pesados, como hornblenda, granada e magnetita, de onde a natureza da fonte pode ser deduzida.

A distribuição dos sedimentos ao longo das praias podem levar a uma gradação lateral dos sedimentos (Figura 10) (BIRD, 1996; CARTER, 1991). De modo geral, a corrente (deriva) longitudinal atua seletivamente na praia, que é composta de sedimentos de variados tamanhos, movendo os grãos mais finos a certa distância da área fonte, pois eles seriam mais

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facilmente remobilizados pelas ondas e transportados pelas correntes associadas. No entanto, o oposto também ocorre, onde os sedimentos gradam dos mais grossos para os mais finos no sentido contrário ao transporte. Isto pode ocorrer devido à remoção seletiva dos sedimentos para barras offshore, ao passo que a deriva longitudinal avança (BIRD, 2008; CARTER, 1991).

Figura 9 – Fonte dos sedimentos da praia.

Legenda: (a) fontes de ganho de sedimentos; (a) fontes de perda de sedimentos.

Fonte: modificado de Bird, 2008 pela autora, 2019.

De acordo com Carter (1991), existem três fatores que tornam a gradação lateral mais complicada do que o exposto acima:

a) Os grãos mais grossos podem “ultrapassar” (out-run) os grãos mais finos:

os sedimentos mais grossos se dissipam mais facilmente sob condições mais energéticas, enquanto que os mais finos se movem em direção ao mar ou ficam presos próximo ao limite superior do espraiamento (swash);

b) Existência de uma assimetria temporal no espectro do processo direcional:

em que o transporte é equivalente à resultante residual da deriva. A

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assimetria irá variar para diferentes populações de sedimentos, resultando em diferentes resultantes dentro da massa sedimentar;

c) Os sedimentos finos podem ser transportados em direção ao mar (offshore).

Figura 10 – Gradação lateral dos sedimentos.

Nota: Do mais grosso para o mais fino, o grão encontra uma zona de impedância, em que a transportabilidade é prejudicada pela blindagem. Uma vez que isto é superado, o grão encontra uma população com características semelhante com alta probabilidade de ser assimilado pela massa sedimentar. Na direção oposta, o grão entra em uma zona de rejeição, em que as partículas que não se adequam à massa são aceleradas, rolando ou saltando sobre os sedimentos mais finos. Depois desta zona de seleção, encontra-se a zona de aceitação.

Fonte: modificado de Carter, 1991 pela autora, 2019.

Ainda segundo Carter (1991), o critério que resulta no desenvolvimento da gradação tornando os grãos mais finos ou mais grossos é atribuído por alguma propriedade original da massa sedimentar, por exemplo, a proporção da cauda de finos ou grossos da amostra ou o tamanho relativo das frações extremas em relação ao tamanho médio.

Na Figura 10 é apresentado um exemplo de como ocorre a gradação pela seleção.

Assumindo certa variabilidade no transporte longitudinal o sedimento se move ora em direção à costa, ora em direção ao mar, em que movimentos diferenciais de subpopulações levarão a gradação incipiente, em alguns trechos da praia. Em momento de correntes mais fortes em uma única direção, poderá formar-se um depósito residual de sedimentos mais grossos.

Assim, com o início da gradação estabelecido, critérios de rejeição e aceitação consolidam este padrão (CARTER, 1991).

Assim, com a combinação de ondas e correntes, o sedimento praial é transportado, através do processo de transporte longitudinal (Figura 11), em que centenas e milhares de metros cúbicos de sedimentos podem ser movimentados ao longo da costa por ano (KOMAR, 1976). O transporte longitudinal residual (net) é definido pela diferença entre o transporte litorâneo direcionado para direita e para a esquerda, para um observador de frente para o mar,