UNIVERSIDADE DO VALE DO ITAJAÍ CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DA TERRA E DO MAR CURSO DE OCEANOGRAFIA

UNIVERSIDADE DO VALE DO ITAJAÍ

CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DA TERRA E DO MAR CURSO DE OCEANOGRAFIA

Caracterização Hidrodinâmica da Baia da Babitonga antes do fechamento

parcial e total do canal do linguado utilizando modelagem numérica

computacional, SC Brasil

JOSÉ ALEXANDRE DAMACENO MATTOS

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CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DA TERRA E DO MAR CURSO DE OCEANOGRAFIA

Caracterização Hidrodinâmica da Baia da Babitonga antes do fechamento

parcial e total do canal do linguado utilizando modelagem numérica

computacional, SC Brasil

JOSÉ ALEXANDRE DAMACENO MATTOS

ORIENTADOR: PROF. DR.: FRANKLIN MISAEL PACHECO TENA

Trabalho de conclusão de curso apresentados como parte dos requisitos para obtenção do grau de bacharel em Oceanografia da Universidade do Vale do Itajaí.

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Agradeço primeiramente aos meus a os meus pais, avós e tios que são foram e sempre serão base de tudo em minha vida. Em memória de minha Vó Yolanda Pimentel mulher vencedora fonte inspiração muito obrigado por tudo. Armando Corrêa Damaceno exemplo de vida a ser seguido. Carla e José pais amados. Zilda Mattos guerreira incansável. Muito obrigado por tudo.

A minha companheira de todas as horas nos últimos tempos, onde eu vou buscar paz para alma Bianca Weber muito amor.

Ao meu mano velho Arthur Mattos vamos junto. A os companheiros de perengue da faculdade. Guto, Alemão, Pi, Mauricio,Cequet, Igor,Catata, Maurisão, João, Chicão, Kleber, Guma, Rafinha...E a todos que tenha esquecido...hahahaha!!! Por que? A os amigos da juventude salve Presidente Epitácio.

As ondas perfeitas da Brava e a natureza desse lugar que nos proporciona momentos únicos.

Aos amigos do LOF ótimo local de aprendizado. Ao grande professor e amigo Lourival Alves pessoa muito sabia de coração enorme muito grato por tudo.

Ao Professor Doutor Franklin que teve fundamental contribuição nesse trabalho, homem de conhecimento singular e grande paciência e compromisso com o ensino.

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O complexo hídrico da Baía da Babitonga está localizado no extremo norte de Santa Catarina. A região apresenta um antigo histórico de ocupação antrópica devido ao fato de ser um ambiente estratégico e também apresentar recursos naturais abundantes em sua extensão. No começo do século passado nos seus arredores formaram-se centros urbanos e centros industriais que escoavam a produção através do porto de São Francisco do Sul localizado na ilha de São Francisco. O problema era conexão do continente com a ilha devido à existência do canal do linguado na parte sul. A evolução comercial pedia uma estrada de ferro que conectasse o porto ao continente. Devido à falta de tecnologia e descaso ambiental do século passado optou-se em fechar um dos lados do canal e diminuir a largura do outro para instalação de uma ponte pré-montada. Entretanto essa não foi a melhor escolha e logo devido a o aumento da hidrodinâmica a obra apresentou falhas estruturais e a opção foi o fechamento total do Canal do Linguado transformando a ilha de São Francisco em uma península alterando toda a dinâmica hídrica da baía da Babitonga. Modelagem numérica computacional vem como ferramenta integradora de informações hidrodinâmicas e foi utilizada no presente trabalho para fazer inferências sobre o passado hídrico da Baía da Babitonga e canal do Linguado. Através de simulações dos cenários pretéritos confrontados com o cenário atual foram extraídas informações físicas que possibilitaram qualificar e quantificar as alterações ambientais de origem antrópicas. Então foi concluído que a construção do dique hidráulico sobre o canal do Linguado alterou a propagação e amplitude da onda de maré na Baía da Babitonga bem como as correntes e as características morfo-sedimentares naturais do complexo hídrico. Estas alterações se apresentam de forma mais marcante nas proximidades da obra. Dito que a modelagem numérica computacional se mostrou uma ferramenta importante no estudo das alterações hidrodinâmicas causadas por obras de engenharia em longo prazo no meio ambiente.

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FIGURA 1:PONTE DE FERRO SOBRE O CANAL DO LINGUADO LADO SUL, QUE LIGAVA O CONTINENTE A ILHA JOÃO DIAS (FONTE

LABORATÓRIO DE OCEANOGRAFIA FÍSICA (LOFUNIVALI E INPH)). ... 4

FIGURA 2:ATERRO SOBRE O LINGUADO NORTE QUE LIGA A ILHA JOÃO DIAS A ILHA DE SÃO FRANCISCO DO SUL (FONTE LABORATÓRIO DE OCEANOGRAFIA FÍSICA (LOFUNIVALI E INPH)). ... 5

FIGURA 3:PONTE METÁLICA COM ESTRUTURA CENTRAL MÓVEL PARA PASSAGEM DE EMBARCAÇÕES (FONTE LABORATÓRIO DE OCEANOGRAFIA FÍSICA (LOFUNIVALI E INPH)). ... 6

FIGURA 4:PONTE METÁLICA COM AS ESTRUTURAS COMPROMETIDAS (FONTE LABORATÓRIO DE OCEANOGRAFIA FÍSICA (LOF UNIVALI E INPH)). ... 7

FIGURA 5:CANAL DO LINGUADO TOTALMENTE OBSTRUÍDO (FONTE LABORATÓRIO DE OCEANOGRAFIA FÍSICA (LOFUNIVALI E INPH)). ... 8

FIGURA 6:IMAGEM DA PEDREIRA QUE FOI USADA PARA O FECHAMENTO DO CANAL COM O PRÓPRIO CANAL AO FUNDO (FONTE LABORATÓRIO DE OCEANOGRAFIA FÍSICA (LOFUNIVALI E INPH)). ... 9

FIGURA 7:IMAGEM AÉREA DO CANAL DO LINGUADO (FONTE LABORATÓRIO DE OCEANOGRAFIA FÍSICA (LOFUNIVALI E INPH)). ... 10

FIGURA 8:EVOLUÇÃO CRONOLÓGICA DA DESEMBOCADURA DO CANAL DO LINGUADO, MODIFICADO DE INPH(1985) E RETIRADO DE SILVA(2011). ... 11

FIGURA 9:LOCALIZAÇÃO DA ÁREA DE ESTUDO (COORDENADAS:UTM/WGS84). ... 14

FIGURA 10:OSCILAÇÕES PERIÓDICAS E SIMÉTRICAS DE MARÉ E OS PARÂMETROS: AMPLITUDE (A), PERÍODO (T/ Λ) E ALTURA (H). FONTE:ALFREDINI,(2005). ... 16

FIGURA 11:FORÇA CENTRÍFUGA COM MESMA DIREÇÃO E MAGNITUDE EM TODOS OS PONTOS DA TERRA, FORÇA GRAVITACIONAL COM DIREÇÕES APONTADAS PARA A LUA E COM MAGNITUDE VARIÁVEL E A FORÇA GERADORA DE MARÉ QUE É A RESULTANTE ENTRE A FORÇA CENTRÍFUGA E A FORÇA GRAVITACIONAL.FONTE:MODIFICADO DE ALFREDINI,2005. ... 18

FIGURA 12:ILUSTRAÇÃO DA PRODUÇÃO DE MARÉS DESIGUAIS (MARÉ TROPICAIS) EM LATITUDES MÉDIAS DEVIDO À POSIÇÃO DA LUA.FONTE:MODIFICADO DE ALFREDINI,2005. ... 19

FIGURA 13:MARÉ DE SIZÍGIA,(A) E (C), POSICIONAMENTO O SOL E LUA DE FORMA ALINHA;MARÉ DE QUADRATURA (B) E (D), ONDE O SOL E A LUA SE ENCONTRAM EM POSIÇÃO DE ORTOGONALIDADE.FONTE:RETIRADO DE USACE,2002. ... 20

FIGURA 14:REPRESENTAÇÃO DOS DIFERENTES TIPOS DE MARÉS, ASTRONÔMICA E MARÉ METEOROLÓGICA. ... 22

FIGURA 15:DIAGRAMA DO PROCESSO DE MODELAGEM E RECURSOS HÍDRICOS (ROSMAN,2010). ... 26

FIGURA 16:ELEMENTOS ACEITOS PELO MODELO FIST3D.FONTE:ROSMAN,(2010). ... 30

FIGURA 17:LOCALIZAÇÃO DOS CONTORNOS FECHADOS E DO CONTORNO ABERTO. ... 32

FIGURA 18:ESPECTRO DE ENERGIA DE DIFERENTES TIPOS DE ONDAS.RELAÇÃO ENTRE COMPRIMENTO, FREQUÊNCIA E CAUSAS. FONTE:TRUCOLLO,(1998). ... 35

FIGURA 19:MAPA DA ÁREA DE ESTUDO COM OS PONTOS BATIMÉTRICOS UTILIZADOS NO CENÁRIO ATUAL RETIRADO DE SILVA, (2011). ... 38

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RETIRADO DE BUCCI,(2004)... 39

FIGURA 21:PERFILADOR ACÚSTICO (ADP) UTILIZADO NA DETERMINAÇÃO DAS CORRENTES RETIRADO DE BUCCI,(2004). ... 41

FIGURA 22:DOMÍNIO MODELADO CENÁRIO ATUAL COM ENQUADRAMENTO NO CANAL DO LINGUADO OBSTRUÍDO ÁREA FOCO DO ESTUDO (COORDENADAS:UTM;DATUM:WGS84). ... 44

FIGURA 23:ÁREA DE ESTUDO JUNTO A REPRESENTAÇÃO DA MALHA DE ELEMENTOS QUADRANGULARES ANEXADA A TABELA DESCRITIVA DO DOMÍNIO MODELADO CENÁRIO ATUA (COORDENADAS:UTM;DATUM:WGS84). ... 46

FIGURA 24:MAPA BATIMÉTRICO GERADO A PARTIR DO MÉTODO INVERSO DA DISTÂNCIA AO QUADRADO (COORDENADAS:UTM; DATUM:WGS84). ... 50

FIGURA 25:BACIAS HIDROGRÁFICAS CONTRIBUINTES DO COMPLEXO HÍDRICO DA BAÍA DA BABITONGA RETIRADO DE (SIVEIRA, 2008). ... 52

FIGURA 26:CURVA DE MARÉ GERADA A PARTIR DAS CONSTANTES HARMÔNICAS EXTRAÍDAS DA ANALISE. ... 57

FIGURA 27:DIAGRAMA DE OCORRÊNCIA CONJUNTA ENTRE VELOCIDADE E DIREÇÃO DE VENTO OBTIDA NA ESTAÇÃO METEOROLÓGICA DISPOSTA NAS DEPENDÊNCIAS INTERNA DO FORTE MARECHAL LUZ –V2, EM SÃO FRANCISCO DO SUL, NO PERÍODO DE 17/01/2003 E 02/04/2003.(CONVENÇÃO METEOROLÓGICA). ... 58

FIGURA 28:DIAGRAMA POLAR DE DISTRIBUIÇÃO DE VENTOS VELOCIDADE EM METROS POR SEGUNDO E DIREÇÃO SEGUINDO A CONVENÇÃO METEOROLÓGICA ... 59

FIGURA 29:MAPA DE JERÔNIMO FRANCISCO COELHO DE 1846(FONTE:ARQUIVO HISTÓRICO DE JOINVILLE). ... 60

FIGURA 30:CARTA NÁUTICA DE 1924 PERÍODO DO CANAL DO LINGUADO PARCIALMENTE ABERTO CONFECCIONADA PELO MINISTÉRIO DA MARINHA DO BRASIL (FONTE:BIBLIOTECA NACIONAL). ... 61

FIGURA 31:ILUSTRAÇÃO DO POSICIONAMENTO DO MAPA ANTIGO SOBRE A IMAGEM DE SATÉLITE PARA EFEITO DE DIGITALIZAÇÃO DA LINHA DE COSTA E BATIMETRIA. ... 62

FIGURA 32:CENÁRIO PRETÉRITO DA BAÍA DA BABITONGA CANAL DO LINGUADO TOTALMENTE ABERTO (COORDENADAS:UTM; DATUM:WGS84). ... 63

FIGURA 33:CENÁRIO PRETÉRITO DA BAÍA DA BABITONGA COM O CANAL DO LINGUADO PARCIALMENTE OBSTRUÍDO (COORDENADAS:UTM;DATUM:WGS84). ... 64

FIGURA 34:MAPA BATIMÉTRICO DA BAÍA DA BABITONGA COM LIVRE CIRCULAÇÃO DE ÁGUAS ATRAVÉS DO CANAL DO LINGUADO (COORDENADAS:UTM;DATUM:WGS84). ... 66

FIGURA 35:MAPA BATIMÉTRICO DO CANAL PARCIALMENTE OBSTRUÍDO (COORDENADAS:UTM;DATUM:WGS84). ... 67

FIGURA 36:PONTOS DE CONTROLE DA MODELAGEM (COORDENADAS:UTM;DATUM:WGS84). ... 69

FIGURA 37:SERIES TEMPORAIS REFERENTES AS ESTAÇÕES DE MEDIÇÃO DE NÍVEL DE ÁGUA NA BAÍA DA BABITONGA. ... 71

FIGURA 38:SÉRIE TEMPORAL DE NÍVEL (A) E CORRENTES (B) AO LONGO DA COLUNA DE ÁGUA NA DESEMBOCADURA DO CANAL PRINCIPAL DA BAÍA DA BABITONGA. ... 72

FIGURA 39:MAPA DE CLASSIFICAÇÃO VISUAL DE RUGOSIDADES DE FUNDO RETIRADA DA TABELA 3 PARA EFEITO DE CALIBRAGEM(COORDENADAS:UTM;DATUM:WGS84). ... 73

FIGURA 40:DADOS MODELADOS E DADOS MEDIDOS DE ELEVAÇÃO PROVANDO UMA BOA COERÊNCIA PARA ESTAÇÃO PRAIA DO CAPRI. ... 76

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INFERIOR A MARÉ FILTRADA OU ASTRONÔMICA. ... 76

FIGURA 42:ANÁLISE NO DOMÍNIO DA FREQUÊNCIA PARA EFEITO DE VALIDAÇÃO REFRENTE AS ELEVAÇÕES DE NÍVEL. ... 77

FIGURA 43:COMPARAÇÃO ENTRE AS COMPONENTES NS E LO DOS DADOS MODELADOS E MEDIDOS. ... 78

FIGURA 44:ANÁLISE ESPECTRAL ROTATÓRIA, COMPARATIVA DOS DADOS DE CORRENTES MODELADOS E MEDIDOS NO CANAL PRINCIPAL DA BAÍA DA BABITONGA. ... 79

FIGURA 45DIAGRAMAS VETORIAIS DE CORRENTES MEDIDAS E MODELADAS, REPRESENTANDO COERÊNCIA NO SENTIDO E DIREÇÃO DO ESCOAMENTO DO CAMPO DE CORRENTES. ... 80

FIGURA 46:ESTAÇÃO LINGUADO SUL NAS SITUAÇÕES DE VAZÕES TESTADAS E COMPARADAS. ... 81

FIGURA 47:ESTAÇÃO PRAIA DO CAPRI NAS SITUAÇÕES DE VAZÕES TESTADAS E COMPARADAS ... 82

FIGURA 48:ESTAÇÃO LINGUADO NORTE NAS SITUAÇÕES DE VAZÕES TESTADAS E COMPARADAS. ... 82

FIGURA 49:MARÉ NA ESTAÇÃO DO LINGUADO NORTE REFERENTES ÀS VAZÕES TESTADAS NO CENÁRIO PRETÉRITO DO CANAL DO LINGUADO TOTALMENTE ABERTO. ... 84

FIGURA 50:MARÉ NA ESTAÇÃO DO LINGUADO SUL REFERENTES ÀS VAZÕES TESTADAS NO CENÁRIO PRETÉRITO DO CANAL DO LINGUADO TOTALMENTE ABERTO. ... 85

FIGURA 51:COMPARAÇÃO ENTRE OS CENÁRIOS NA ESTAÇÃO LINGUADO SUL EM RELAÇÃO AO NÍVEL DE ÁGUA. ... 86

FIGURA 52:COMPARAÇÃO ENTRE OS CENÁRIOS NA ESTAÇÃO LINGUADO NORTE EM RELAÇÃO AO NÍVEL DE ÁGUA. ... 87

FIGURA 53:VARIAÇÃO DA COLUNA DE ÁGUA ENTRE OS CENÁRIOS MODELADOS NO LINGUADO SUL. ... 88

FIGURA 54:GRÁFICO DA VARIAÇÃO DA COLUNA DE ÁGUA ENTRE OS CENÁRIOS SIMULADOS NA ESTAÇÃO LINGUADO NORTE. ... 89

FIGURA 55:LINGUADO NORTE EM SITUAÇÃO DE MARÉ SECA COM PROFUNDIDADES NULAS. ... 90

FIGURA 56:MODULO DA VELOCIDADE NOS TRÊS CENÁRIOS SIMULADOS LINGUADO NORTE. ... 91

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TABELA 1:CONSTANTES HARMÔNICAS QUE MAIS INFLUENCIAM À VARIAÇÃO DE NÍVEL DO MAR. ... 21

TABELA 2LOCALIZAÇÃO E PERÍODO DE COLETA DOS DADOS DE NÍVEL DE ÁGUA NA BAÍA DA BABITONGA UTILIZADOS NO ESTUDO. 40 TABELA 3VALORES RECOMENDADOS PARA A AMPLITUDE DE RUGOSIDADE NO FUNDO, PARA USO NO MÓDULO2DH DO MODELO FIST3D. ... 48

TABELA 4VAZÕES UTILIZADAS PARA A MODELAGEM DO SISTEMA HIDRODINÂMICO DA BAÍA DA BABITONGA ... 53

TABELA 5CONSTANTES HARMÔNICAS GERADAS ATRAVÉS DA ANALISE DE MARÉ. ... 55

TABELA 6RESULTADO DO NÚMERO DE FORMA CALCULADO PARA AS ESTAÇÕES MAREGRÁFICAS ... 70

TABELA 7PARÂMETROS ESTATÍSTICOS CALCULADOS NA COMPARAÇÃO DE NÍVEIS DE ÁGUA ... 74

TABELA 8CORRELAÇÃO ENTRE OS DADOS DE CORRENTE MEDIDOS E MODELADOS... 78

TABELA 9PARÂMETROS NUMÉRICOS EM RELAÇÃO À MARÉ ... 87

TABELA 10PARÂMETROS ESTATÍSTICOS EM RELAÇÃO A MARÉ ... 87

TABELA 11APRESENTAÇÃO DOS PARÂMETROS ESTATÍSTICOS PARA ESTAÇÃO LINGUADO SUL ENTRE OS CENÁRIOS ... 89

TABELA 12APRESENTAÇÃO DOS PARÂMETROS ESTATÍSTICOS PARA ESTAÇÃO LINGUADO NORTE ENTRE OS CENÁRIOS ... 90

TABELA 13PARÂMETROS ESTATÍSTICOS REFERENTES AO MODULO DE VELOCIDADE NA ESTAÇÃO LINGUADO NORTE ... 92

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1 INTRODUÇÃO ... 1

1.1 HISTÓRICO DE FECHAMENTO DO CANAL DO LINGUADO ... 3

1.2 OBJETIVOS ... 11 1.2.1 Objetivo Geral ... 11 1.2.2 Objetivos Específicos ... 11 1.3 ÁREA DE ESTUDO ... 12 1.3.1 Localização ... 12 1.3.2 Regime De Marés ... 15 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ... 16 2.1 MARÉ ... 16 2.1.1 Maré Astronômica ... 16

2.1.1.1 Forças Geradoras de Maré ... 16

2.1.1.1.1 Sistema Terra-Lua ... 17

2.1.1.1.2 Sistema Terra-Sol ... 19

2.1.1.1.3 Interação dos Sistemas Terra-Sol e Terra-Lua ... 19

2.1.1.2 Constantes Harmônicas ... 20 2.1.2 Maré Meteorológica ... 21 2.1.3 Maré em Estuários ... 22 2.2 ESTUÁRIOS ... 23 2.2.1 Dinâmica Estuarina ... 23 2.3 OBRAS COSTEIRAS ... 24

2.3.1 Guia Correntes ou Molhes ... 24

2.4 MODELAGEM NUMÉRICA ... 25

2.4.1 Modelo SisBaHiA® ... 27

2.4.1.1 Modelo Hidrodinâmico 2DH ... 27

2.4.1.1.1 Formulação ... 28

2.4.1.1.2 Discretização Espaço-Temporal... 30

2.5 CONDIÇÕES DE CONTORNO E CONDIÇÕES INICIAIS ... 31

2.6 CALIBRAÇÃO E VALIDAÇÃO ... 32

2.6.1 Métodos Estatísticos ... 34

2.7 ANÁLISE ESPECTRAL ... 35

3 METODOLOGIA ... 36

3.1 CENÁRIO ATUAL DA BAÍA DA BABITONGA ... 36

3.1.1 Batimetria ... 37

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3.1.3 Domínio da Modelagem do Cenário Atual ... 42

3.1.4 Discretização Espacial ... 45

3.1.5 Discretização Temporal ... 47

3.1.6 Dados de Entrada do Modelo Cenário Atual ... 48

3.1.7 Rugosidade ... 48

3.1.8 Interpolação Batimétrica do Cenário Atual ... 48

3.1.9 Levantamento Hidrológico ... 51

3.1.10 Maré Utilizada no Modelo ... 53

3.1.11 Forçante meteorológica ... 58

3.1.12 Metodologia Utilizada nos Cenários Pretéritos ... 59

3.1.12.1 Mapas da Antigos ... 59

3.1.12.2 Georeferenciamento e posicionamento para a digitalização batimétricas e de contornos ... 61

3.1.13 Domínio da Modelagem e Discretização Espacial dos Cenários Pretéritos ... 62

3.1.14 Batimetria dos Cenários Pretéritos ... 64

4 RESULTADO E DISCUSSÃO ... 69

4.1 DADOS MEDIDOS E PONTOS DE CONTROLE ... 69

4.1.1 Marés Medidas ... 70 4.1.2 Correntes Medidas ... 72 4.2 CALIBRAGEM ... 73 4.3 VALIDAÇÃO ... 74 4.3.1 Elevações ... 74 4.3.2 Correntes... 77

4.4 COMPARAÇÃO ENTRE AS ESTAÇÕES NOS DIFERENTES CASOS DE VAZÕES ... 80

4.4.1 Cenário Atual Canal Fechado ... 80

4.4.2 Cenário Pretérito Canal Totalmente Aberto ... 84

4.5 COMPARAÇÃO ENTRE OS CENÁRIOS ATUAIS E PRETÉRITOS ... 85

4.5.1 Nível de Água ... 86

4.5.2 Elevação da Coluna de Água ... 88

4.5.3 Correntes... 91

5 CONCLUSÃO ... 94

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Desde os primórdios da humanidade estuários estão associados ao desenvolvimento das sociedades por oferecerem condições favoráveis ao desenvolvimento destas. Atividades comerciais, portuárias, industriais, extrativistas são alguns exemplos de uso deste ambiente pelo homem. De fato são locais favoráveis a atividades humanas, pois há abundante disponibilidade de água, recursos também servem de abrigo e conexão próxima com o oceano abundante fonte de alimento e riquezas (AMARAL et al. 2004).

A zona costeira vem sofrendo continua descaracterização de seu ambiente natural, devido a sua privilegiada localização e por consequência elevada importância socioeconômica. Historicamente sofre com a exploração predatória e descaracterização de suas áreas naturais, gerando vários efeitos negativos e graves dificuldades em seu ordenamento e administração. Com o desenvolvimento das comunidades humanas em geral o sistema ambiental agora convive com um novo agente que pode ser chamado de efeito antrópico. Este passou agir com um forte input energético, podendo assim alterar drasticamente e rapidamente as paisagens da zona costeira em geral (BONETTI FILHO & FURTADO,1996).

O complexo hídrico da Baía da Babitonga e tem como característica principal ser um dos maiores sistemas estuarinos da região sul do Brasil e o maior do estado de Santa Catarina (VIEIRA et al. 2008). Em seus arredores distribuem-se as cidades de Araquari, Garuva, Balneário Barra do Sul, Itapoá São Francisco do Sul e Joinville como principal polo da região norte catarinense. Possuindo o Canal do Linguado e a Baía da Babitonga uma expressiva importância devido às diversas atividades econômicas realizadas em seus domínios, tais atividades afetam em caráter direto ou indireto esse complexo ecossistema estuarino. Tomando destaque às atividades portuárias através do Porto de São Francisco do sul e Barra do Sul, esse com bem menos expressividade regional, porém muito importante para o município (SILVA, 2011).

Ao longo do seu histórico de ocupação a Baía da Babitonga, foi alvo de impactos ambientais originários da antropização de seus arredores. Onde as indústrias metal/mecânica, têxteis, fundição e plásticos tem contribuído muito para o declínio da qualidade de suas águas, juntamente com o despejo de efluentes urbanos sem

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tratamento adequado (VIEIRA et al. 2008). As atividades antrópicas geram impactos relevantes a curto e longo prazo na estrutura e no bom funcionamento dos ecossistemas, acarretando o enfraquecimento e possível declínio dos atrativos econômicos e sociais associados a esses ambientes (GONZALEZ et al. 2006 apud MIZERKOWSKI, 2007).

Observando o contexto de utilização deste ambiente ao longo da sua longa historia de ocupação, é de elevada importância a realização de estudos ambientais na área. Em vista também do espectro de utilização destes sistemas e as amplas possibilidades de ocorrência de impactos ambientais, decorrentes do mau uso da Zona Costeira, reforça a necessidade do profundo conhecimento do ambiente.

As lideranças em conjunto com a comunidade manifesta ao longo do tempo o desejo de restauração da ligação da Baia da Babitonga com o oceano através do Canal do Linguado. Para isso alegam a possível melhoria das condições ambientais atuais, como a diminuição dos níveis de poluição devido ao aumento da hidrodinâmica. Mais uma vez estudos mostram-se necessários, pois com a possível remoção do dique hidráulico isso acarretaria em uma grande mudança hidrodinâmica e nos padrões sedimentares da área. As baixas profundidades no Canal do Linguado implicam em restrições no fluxo de embarcações, também devido a orientação dos molhes e sedimentação do canal de entrada as atividades pesqueiras são prejudicadas. Resaltando que o porto pesqueiro de Balneário Barra do Sul tem papel de receptador e distribuidor de pescado, onde as restrições de entrada geram prejuízos econômicos para a região (SILVA, 2011).

O equilíbrio estuarino está fortemente ligado a os processos hidrodinâmicos. Sendo eles responsável pela distribuição de energia no sistema. O conhecimento dos processos hidrodinâmicos atuantes hoje no Canal do Linguado, confrontados com os existentes no passado são importantes para compreensão da magnitude das alterações causadas pelo homem no ambiente estuarino da Baía da Babitonga. Carecido à alta complexidade dos processos que ocorrem em corpos d’água naturais, a modelagem numérica mostrar-se como uma ferramenta flexível e integradora, que possibilita uma visão dinâmica dos processos que acontecem nestes sistemas ambientais (AMARAL et al. 2004).

O fluxo de água direto da baía da Babitonga com Canal do Linguado foi interrompido totalmente na década de 1930 com a construção de um aterro, para a construção primeiramente de uma estrada de ferro, onde atualmente passa a rodovia SC-280. Dando origem a problemática local dividindo um complexo sistema estuarino em

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duas partes distintas com diferentes características hidrodinâmicas (CREMER  SABADIN, 2006  BONHSACK, 2008).

1.1 HISTÓRICO DE FECHAMENTO DO CANAL DO LINGUADO

O fechamento do Canal do Linguado ocorreu para que fosse construída uma estrada de ferro, para integrar os três estados do sul do país “Estrada de Ferro São Paulo Rio Grande – EFSPRG”. Essa ferrovia atravessaria a Serra Geral de Santa Catarina, passando por Joinville em busca do porto na Baía de São Francisco. No ano de 1907 iniciaram-se os serviços de terraplanagem no local. Devido ao elevado grau de complexidade para a engenharia da época, aliada a falta de recursos abundantes, optou-se por aterrar um dos canais e construir uma ponte metálica sobre o outro (FIGURA 1) e (FIGURA 2) (CRISTOFOLINI et al. 2011). Segundo J. F. Coelho no mapa de medição e demarcação de terras a serviço do Império Brasileiro no ano de 1846 e E. Muchez na carta batimétrica n°2665 de 1869, estando a Baía da Babitonga em seu estado natural as profundidades no Canal do Linguado eram de em média 2 metros e a desembocadura tinha em média 800 metros de largura (FIGURA 8).

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O canal norte com cerca de 700 metros que liga a Ilha de São Francisco a Ilha João Dias, mais conhecida como Ilha do Linguado foi totalmente obstruído para construção do ramal ferroviário do porto de São Francisco do Sul. Já na parte sul do canal foi decidido por aterrá-lo parcialmente e instalar uma ponte metálica estacada no fundo do canal sendo que, o canal sul tinha 400 metros de largura. Porém a ponte metálica já pré-montada e importada da Europa apresentava 140 metros de comprimento sendo necessário realizar o estreitamento do canal para sua instalação. A mesma apresentava uma parte central móvel para a passagem de embarcações. Aterro parcial acabou por diminuir a seção transversal do canal (FIGURA 3).

Figura 1: Ponte de ferro sobre o Canal do Linguado lado sul LOF e INPH.

Figura 1: Ponte de ferro sobre o Canal do Linguado lado sul, que ligava o continente a Ilha João Dias (Fonte Laboratório de Oceanografia Física (LOF UNIVALI e INPH)).

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Em consequência do pouco conhecimento no campo hidrodinâmico e de transportes de sedimentos na época e também aliada a falta de consciência ambiental por parte da população e dos tomadores de decisões a obra começou a apresentar falhas estruturais. Devido à intensificação das correntes pela diminuição da seção transversal do canal se intensificou as correntes provocando um processo erosivo aumentando a profundidade do canal nas proximidades do aterro.

Figura 2: Aterro sobre o Linguado Norte que liga a Ilha João Dias a Ilha de São Francisco do Sul (Fonte Laboratório de Oceanografia Física (LOF UNIVALI e INPH)).

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Dito que a jusante do aterro há relatos que as profundidades chegavam até 18 metros. Tal fato comprometeu as fundações dos pilares da ponte colocando em risco a integridade dos usuários da ponte (FIGURA 4). Os efeitos negativos também foram percebidos no município de Barra do Sul que teve o canal de ligação com o oceano assoreado devido à dominância do regime de ondas e a diminuição do aporte de águas da Baía da Babitonga. O problema se agravou de forma critica devido a fortes chuvas no ano de 1926 e somente em 1934 foi decidido pelo fechamento total do Canal do Linguado concluído em 1935 (FIGURA 5) (CREMER  SABADIN, 2006  BONHSACK, 2008).

Figura 3: Ponte metálica com estrutura central móvel para passagem de embarcações (Fonte Laboratório de Oceanografia Física (LOF UNIVALI e INPH)).

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Em 1934 foi iniciado o fechamento do canal, pra se concluir a obra, foram necessários 18 meses de trabalho e a força de 400 homens os quais depositaram cerca de 60.000 metros cúbicos de rochas (FIGURA 6). Somente em 1935 o aterro sul foi inaugurado pelo fato de uma composição ferroviária passar por ele em velocidade normal de transito. Segundo relato de Zé Bazílio morador e testemunha dos acontecimentos antigos ocorridos na Baía da Babitonga:

“Foi fechado na ditadura de Getúlio Vargas, mas o interventor do Estado, Nereu

Ramos, era contra. Só na terceira investida de lideranças da região do Litoral Norte catarinense, autorizou a obra. Na hora de dar o aval, Nereu Ramos disse o seguinte: 'Assino junto com a ordem de serviço a desgraça de São Francisco do Sul e de Joinville”.

A conclusão da obra resultou na total interrupção hidrodinâmica entre o Canal do Linguado e a Baía da Babitonga transformando assim, a ilha de são Francisco em uma península provocando um grande desequilíbrio ambiental (FIGURA 7). No entanto para sociedade da época a solução dada era a melhor possível, pois resolveu o problema de

Figura 5: Canal do Linguado totalmente obstruído (Fonte Laboratório de Oceanografia Física (LOF UNIVALI e INPH)).

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comunicação com continente. Anos mais tarde por volta da década de cinqüenta é que se começou a discussão de que o fechamento teria sido um erro grave e alguns setores da sociedade questionavam sobre a reabertura do canal, pois já se tornava visível o assoreamento e a diminuição da qualidade de águas da Baía da Babitonga. Contudo até então não se tinha estudos concretos de âmbito multidisciplinar para dar base a tomadas de decisões sobre a reabertura do canal, tais estudos começaram a ser feito na década de oitenta embasados nos avanços científicos e tecnológicos da sociedade (CREMER  SABADIN, 2006  BONHSACK, 2008).

Figura 6: Imagem da pedreira que foi usada para o fechamento do canal com o próprio canal ao fundo (Fonte Laboratório de Oceanografia Física (LOF UNIVALI e INPH)).

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A Figura 8 exibe, por meio de ilustrações, a evolução histórica da barra em sete configurações cronológicas, a partir de 1862, época de circulação livre, em 1938, três anos depois do fechamento total dos aterros, assim como em 1957, 1970, 1972, 1978 (dois anos antes das obras de fixação da barra). Mostra também a situação em 1985, com base em levantamentos concretizados pelo INPH, seis anos após a obra de fixação da embocadura.

Figura 7: Imagem aérea do Canal do Linguado (Fonte Laboratório de Oceanografia Física (LOF UNIVALI e INPH)).

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1.2.1 Objetivo Geral

Caracterizar a hidrodinâmica da Baía da Babitonga com relação ao fechamento do Canal do Linguado por meio de modelagem numérica computacional.

1.2.2 Objetivos Específicos

Analisar a hidrodinâmica utilizando a ferramenta de modelagem numérica em diferentes cenários ocorridos no passado na Baía da Babitonga em comparação com o cenário atual.

 Cenário 1: Baía da Babitonga com circulação livre no canal do Linguado norte e sul.

Figura 8: Evolução cronológica da desembocadura do Canal do linguado, modificado de INPH (1985) e retirado de SILVA (2011).

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norte e parcial do lado sul.

 Cenário 3: Baía da Babitonga com obstrução total do Canal do Linguado.

1.3 ÁREA DE ESTUDO

1.3.1 Localização

A Baía da Babitonga está localizada entre as coordenadas: 26°02':26°28'S e 48°28':48°50'W (Datum WGS 84) (FIGURA 9), no litoral norte de Santa Catarina. Limita-se a norte pela Serra do mar, e a sudeste pela Ilha de São Francisco do Sul. Destaca-Limita-se como um dos principais complexos estuarinos do Sul do Brasil, apresentando aproximadamente 1400 km². Abrangendo parte dos municípios de Joinville, São Francisco do Sul, Guaruva, Araquari e Itapoá, é a mais importante formação de águas marinhas interiores do Brasil, e abriga o maior mangue da região Sul do Brasil. Sua conexão principal com o Oceano Atlântico Sul se dá por uma barra principal a nordeste, com largura máxima de 1850 metros. É conhecido como o porto natural de maior calado do Brasil, devido à sua profundidade, chegando a 28m. Apresentava uma segunda conexão, com desembocadura localizada ao sul, o Canal do Linguado. O clima da região é do tipo subtropical úmido, com forte distinção entre duas épocas do ano: verão e inverno (KNIE, 2002).

Estuários são tratados como ecossistemas de transição entre o oceano e o continente isso lhe confere uma dinâmica e complexidade singular em comparação a os ambientes adjacentes. Estes ocorrem em todas as regiões do globo (GONZALEZ et al. 2006 ap ud MIZERKOWSKI, 2007). Acrescido ao fator de que em condições ambientais saudáveis é elevada a produtividade biológica devido à grande carga de nutrientes que promove abundante produtividade primaria nestes ambientes. Esta produtividade possui forte ligação com os bosques de manguezais presentes na área, no qual se estima que 70% da pesca comercial e recreativa sejam dependentes desse ecossistema (CREMER, 2006).

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Sua área total é estimada em 160 km² com comprimento Maximo de 20 Km e largura de até 5Km e estão contidos em seu entorno os municípios de São Francisco do Sul, Araquari, Barra do Sul, Itapoá, Garuva e Joinville. Possui uma única comunicação com o Oceano Atlântico de 1,7 Km de largura (CREMER, 2006).

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Vieira, 2008 caracteriza morfologicamente a Baía da Babitonga por possuir um canal principal orientado no sentido NE/SW com em média 3,8 Km de largura e profundidade máxima de 28m. Também dois eixos orientados no sentido SE/NW com largura máxima de 1,5 Km e profundidade que não ultrapassam os 5 metros. O eixo norte é denominado de canal do palmital é tem com característica receber um elevado aporte

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hidrológico. O eixo sul se apresenta como canal do linguado e é caracterizado pela elevada taxa de sedimentação opôs o seu fechamento, que acabou por impedir a livre circulação entre a baia e o oceano através do canal (SCHETTINI  CARVALHO, 1999)

1.3.2 Regime De Marés

Conforme TRUCOOLO & SCHETTINI, (2009) o regime de maré da Baía da Babitonga é classificado como misto, onde predomina o tipo semidiurno apresentando discrepâncias nas alturas entre as preamares e baixamares, com dominância da maré enchente. Em outras palavras tempo que a maré leva para atingir o seu pico de altura é mais curto em comparação com o tempo para atingir o nível mínimo.

A maré meteorológica atua de forma mais errática na área de estudo e está associada a entradas de frentes frias. Em casos extremos, a maré meteorológica pode aumentar o nível do mar em até 1 metro, com período variando de 3 a 15 dias (TRUCCOLO, 2009).

Observado que Bucci, (2004) corroborou que a principal fenômeno atuante na de circulação da Baía da Babitonga é a maré astronômica, com as constantes semidiurnas M2 e S2 totalizando 60% de toda energia associada á maré, com forte caráter semidiurno. Observou que a defasagem da onda de maré no Canal do Linguado-Sul em relação à Ilha dos Remédios, para as componentes harmônicas semidiurnas, M2 e S2 foi de aproximadamente 35 minutos. Para as diurnas, O1 e K1, foi cerca de 3 horas e 5 minutos e 3 horas e 35 minutos, consecutivamente. E para a componente quartodiurna, M4 foi de 26 minutos.

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2.1 MARÉ

2.1.1 Maré Astronômica

A maré oceânica é gerada pelo efeito combinado da atração gravitacional do Sol e da Lua associado á aceleração centrípeta, chamada de maré astronômica. Estes podem atuar juntamente com os efeitos meteorológicos, maré meteorológica, que afetam em menor escala. Esta oscilação é transportada para o ambiente estuarino devido ao gradiente de pressão criado pela variação de maré, no lado oceânico, em relação ao

nível da costa. (MIRANDA et al. 2002), (FIGURA 10)

Figura 10: Oscilações periódicas e simétricas de maré e os parâmetros: amplitude (a), período ( T/ λ) e altura (h). Fonte: Alfredini, (2005).

2.1.1.1 Forças Geradoras de Maré

A maré oceânica é gerada pelo efeito combinado da atração gravitacional do Sol e da Lua associado á aceleração centrípeta, chamada de maré astronômica. Estes podem atuar juntamente com os efeitos meteorológicos, maré meteorológica,que afetam em menor escala. Esta oscilação é transportada para o ambiente estuarino devido ao gradiente de pressão criado pela variação de maré, no lado oceânico, em relação ao nível da costa. A ação da maré no estuário, com o mesmo período da maré oceânica, é denominada co-oscilação de maré (DEFANT 1960, apud MIRANDA et al. 2002) A força

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gravitacional é definida pela equação 1, onde G é a constante universal gravitacional, r é a distancia entre os corpos, m1 e m2 são as massas dos corpos envolvidos na atração.

Força gravitacional = (1)

A força geradora de maré é derivada da força gravitacional e é definida pela equação 2.

Força geradora de maré = (2)

Embora a lua tenha massa 27 milhões de vezes menor que a massa do Sol, é ela que exerce maior influência na variação do nível do mar, devido a sua maior proximidade (THURMAN, 1978; ALFREDINI 2005; GIOC, 2000).

2.1.1.1.1 Sistema Terra-Lua

O sistema Terra-Lua tem uma órbita elíptica e sua revolução ocorre em 27,3 dias. A força centrífuga do sistema Terra-Lua equilibra exatamente as forças de atração gravitacional entre os dois corpos, de modo que o sistema como um todo se mantém em equilíbrio dinâmico.

As forças centrífugas apresentam direções paralelas à linha de união entre os dois centros de massa, porém, a força gravitacional que a lua exerce sobre a Terra é maior nos pontos que se encontram mais próximo, e os pontos mais distantes da lua sofrem menor atração gravitacional. A resultante das forças centrífuga e gravitacional gera o que é chamado de força geradora de maré (FIGURA 11) (OPEN UNIVERSITY, 1997).

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O período de rotação da Terra em relação à Lua é de 24 horas e 50 minutos, devido ao movimento de translação que a Lua realiza enquanto a Terra completa seu movimento de rotação. Esta é a razão pela qual a preamar de um determinado local atrasa 50 minutos a cada dia (ALFREDINI, 2005).

A órbita da Lua varia em relação ao plano equatorial terrestre, portanto, apresenta variações em sua declinação. O ângulo entre a órbita lunar e o plano equatorial pode chegar a 28° (FIGURA 12). Quando a declinação é máxima (maré tropical) a desigualdade entre os trópicos é máxima. Quando a Lua está no mesmo plano que a linha do equador, estas desigualdades tornam-se inexpressivas (THURMAN, 1978 apud LIMA 2012).

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Devido a órbita Lunar ser elíptica, as amplitudes de maré sofrem influência da sua posição. A força geradora de maré pode sofrer um incremento na ordem de 20 % no perigeu e uma redução de mesmo valor no apogeu (OPEN UNIVERSITY, 1997).

Figura 12: Ilustração da produção de marés desiguais (maré tropicais) em latitudes médias devido à posição da Lua. Fonte: Modificado de Alfredini, 2005.

2.1.1.1.2 Sistema Terra-Sol

O sistema Terra-Sol funciona de forma semelhante ao sistema Terra-Lua, porém com menor influência na força geradora de maré, devido à maior distância do nosso planeta.

2.1.1.1.3 Interação dos Sistemas Terra-Sol e Terra-Lua

A Figura 15 demonstra como o Sol e a Lua influenciam na maré astronômica terrestre em uma ocasião de declinação nula. A maré de sizígia pode ser observada na Figura 13 (a) e (c) onde, as forças geradoras de maré, atuam no mesmo rumo, podendo estar em conjunção na Lua nova ou oposição na Lua cheia. A maré de sizígia é responsável pelas maiores varações no nível do mar (OPEN UNIVERSITY, 1997; ALFREDINI, 2005; GIOC, 2000).

Na Figura 13 (b) e (d) observa-se a maré de quadratura onde, as forças geradoras de maré atuam em ângulo reto. Com isso as amplitudes de maré são menores.

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2.1.1.2 Constantes Harmônicas

A série temporal de uma maré astronômica é a soma de 399 constantes harmônicas, das quais 100 são de período longo (baixa frequência), 160 são diárias (diurnas), 115 ocorrem duas vezes por dia (semi-diurna) e 14 ocorrem três vezes ao dia (terc-diurna ou sobremaré) (STEWART, 2002; GIOC, 2000).

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Símbolo Período (horas) Descrição Tipo

K2 S2 M2 N2 K1 P1 O1 Mf Mm Ssa 11,97 12,00 12,42 12,66 23,93 24,07 25,82 327,84 661,10 4526,88 Lunar/Solar Solar Lunar Lunar Elíptica Lunar/Solar Solar Lunar Lunar Lunar Solar Semidiurna Semidiurna Semidiurna Semidiurna Diurna Diurna Diurna Baixa frequência Baixa frequência Baixa frequência

De acordo com Pond & Pickard (1983), a classificação da maré, segundo o tipo de harmônica que mais a influência, pode ser realizada a partir do número de forma (F):

Onde, K1 e O1 são componentes diurnas e M2 e S2 são componentes semi-diurnas.

A partir do valor de F pode-se classificar a maré em:

 0 < F < 0,25: Semi-diurna.

 0,25 < F < 1,5: Mista com predominância de semi-diurna.

 1,5 < F < 3,0: Mista com predominância de diurna.

 F > 3: Diurna.

2.1.2 Maré Meteorológica

As marés meteorológicas são provocadas devido à variação da pressão atmosférica em conjunto ao vento sobre a superfície do mar (PUGH, 1987). Conforme Truccolo (1998), efeitos meteorológicos chegam a causar expressivas sobre-elevações

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no nível do mar em relação às marés astronômicas nas regiões costeiras catarinenses, podendo, estas serem superiores a 1 m em condições extremas.

As marés, ao penetrarem em reentrâncias da costa (baías, rios, lagunas) podem causar oscilação do nível d’água a muitos quilômetros para montante. As modificações da onda de maré ao longo destes corpos d’água serão acentuadas pela fricção junto ao fundo e às paredes laterais, pelas mudanças na geometria dos canais e pela interação com a descarga fluvial. (Figura 14).

Figura 14: Representação dos diferentes tipos de marés, astronômica e maré meteorológica.

2.1.3 Maré em Estuários

A interação da onda de maré com a massa d’água estuarina gera variações no nível d’água. Os efeitos que afetam a propagação da maré em estuários são:

 Efeito morfológico, redução de profundidade e confinamento lateral, levando a concentração de energia, gerando grandes amplitudes e correntes de maré.

 Atrito: produz dissipação de energia da onda de maré, reduzindo a amplitude da onda de maré.

A velocidade de propagação da onda de maré depende da profundidade do leito, portanto, a crista de maré (preamar) se move com uma velocidade maior do que a cava da maré (baixamar). Como resultado, o período entre uma preamar e uma baixamar é maior que o período entre uma baixamar e uma preamar (ALFREDINI, 2005).

Em alguns casos, a onda de maré gera perturbações na ordem de centímetros a mais de 100 metros da desembocadura do estuário. Além de influenciar no nível d’água,

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a maré interfere na vazão do corpo hídrico, podendo ser definitiva na ocorrência de enchentes (ALFREDINI, 2005).

2.2 ESTUÁRIOS

A palavra estuários é derivada do adjetivo latino aestuarium, cujo significado é maré ou onda abrupta de grande altura, estes ambientes são geologicamente muito recentes (< cinco mil anos), formados por alterações seculares do nível do mar de natureza eustática ou isostática, bem como por processos de origem tectônica (MIRANDA et al., 2002).

Os estuários podem ainda ser classificados quanto à interação entre a onda de maré e a morfologia, sendo responsável por importantes variações na altura da maré e na intensidade das correntes, resultando nas seguintes condições: a) estuários hipersíncrono: a convergência excede o atrito, em consequência, a altura das marés e as correntes aumentam em direção à cabeceira. À montante a convergência diminui, o efeito do atrito torna-se maior e a altura da maré diminui, geralmente apresentam uma forma afunilada; b) estuário síncrono, os efeitos do atrito e da convergência estão em balanço, e a altura da maré permanece constante até montante do estuário e c) estuário hipersíncrono, no qual o efeito do atrito excede o da convergência, e a altura da maré diminui ao longo do estuário. Esses estuários tendem a ter as desembocaduras restritas e as maiores velocidades de corrente ocorrem na desembocadura (MIRANDA et al. 2002).

A Baía da Babitonga foi classificada segundo Truccolo & Schettini, (1999) como um estuário do tipo hipersíncrono, onde os efeitos de constrição do canal parecem ser dominantes sobre os efeitos friccionais.

2.2.1 Dinâmica Estuarina

Nos sistemas estuarinos, os processos de mistura, circulação e estratificação são governadas basicamente por três forçantes: a descarga de água doce, as correntes de maré e pela transferência de momentum através do cisalhamento do vento em sua superfície livre; aos quais se somam as influências exercidas pela geometria do corpo

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estuarino e pela salinidade e padrões da região costeira adjacente (MIRANDA, 1996). Estes forçantes condicionam a circulação gravitacional, a circulação residual e as correntes geradas pelo vento. Comumente um destes padrões de circulação citados acima predomina num determinado sistema estuarino, entretanto dois ou os três tipos podem ser observados ao mesmo tempo ou sazonalmente num mesmo estuário (KJERFVE, 1990).

Em estuários onde os aportes de água doce e a ação de ondas geradas pelo vento são relativamente baixos, a circulação é basicamente guiada pelas correntes de maré (DAY et al., 1989). Contudo, a grande variabilidade tempo espacial destas forçantes e dos processos interativos, tornam o estudo dos sistemas estuarino bastante complexo (BUCCI, 2004).

2.3 OBRAS COSTEIRAS

2.3.1 Guia Correntes ou Molhes

A construção de guia-correntes ou molhes vem sendo empregada principalmente para frear a migração natural de desembocaduras, para abrigar os canais de navegação da atuação das ondas e para reduzir a assiduidade de dragagens, objetivando manter o canal principal numa determinada profundidade ou área da seção transversal. Alguns dos resultados desta interferência podem ser previstos antes da execução das obras. Embora, eventualmente, causam impactos na morfodinâmica local, ligadas principalmente a problemas como o aumento de bancos arenosos e mudanças na amplitudes de maré. Abaixo segue uma série de atividades ligadas a construção de molhes que afetam os canais de maré, segundo Silva (2011):

 A construção pode estabilizar os canais de maré, impedindo sua migração ao longo da linha de costa.

 Podem bloquear a deriva litorânea, causando grandes variações nos processos erosivos e deposiçionais das praias adjacentes à barra.

 Através da construção de muros ou revestimentos podem modificar a seção transversal do canal de maré.

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desembocadura da barra.

 A construção de aterros e eventuais desvios de água doce podem reduzir a quantidade de água fluvial no sistema.

 O desenvolvimento de aterros em estuários e baías pode reduzir o prisma de maré no local.

2.4 MODELAGEM NUMÉRICA

A modelagem matemática de áreas estuarinas tem como finalidade a descrever processos físicos, como o movimento hidrodinâmico desses corpos de água através de equações diferenciais parciais (EDP’s) que regem o escoamento. Tais equações utilizam em sua formulação os princípios físicos baseados na conservação do volume (continuidade) e na conservação do momentum ou da quantidade de movimento explicado pela 2ª Lei do movimento de Newton (SIQUEIRA, 2007).

Segundo Rosman, (1989) as EDP´s não apresentam soluções analíticas, dado a sua complexidade, mas, podem ser resolvidas via métodos numéricos. Na engenharia, o método das diferenças finitas e dos elementos finitos são os mais usuais. Tais métodos baseiam-se na discretização das EDP’s governantes a fim de reduzir o problema físico de caráter contínuo a um problema discreto de modo que tais equações passam a ser avaliadas em cada ponto de uma malha computacional que representa o domínio da região de estudo.

De forma que os modelos numéricos vêm sendo cada vez mais utilizados, por apresentarem um poder de integrar uma considerável gama de informações de deforma pratica didática e de relativo baixo custo. No ramo da oceanografia e engenharia costeira é uma ferramenta fundamental no desenvolvimento de projetos e estudos (COLOMBI, 2011) Onde uma boa modelagem segue uma estrutura ao menos semelhante a descrita por

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A primeira etapa refere-se a definir o que se quer modelar e se é possível tal feito com as ferramentas disponíveis. Nesse ponto devem ser claramente definidas as escalas espaço temporais do fenômeno de interesse. Esta fase inclui observações e medições de forma a obter conhecimento qualitativo e quantitativo. Possibilitando a formação de um modelo conceitual claro.

Modelos numéricos implicam geralmente na mudança do espaço contínuo para o discreto, utilizando os métodos de diferenças finitas, elementos finitos e volumes finitos.

Para os modelos numéricos, os resultados quantitativos esperados serão obtidos via modelo computacional, o qual é a tradução de um modelo numérico para uma linguagem computacional que possa ser codificada e executada em um computador.

Depois das etapas iniciais que seriam o pré-processamento, vem o pós-processamento, que é avaliar os resultados gerados pelo modelo computacional através da técnica de calibração e validação. Se os resultados gerados após a validação apresentarem coerência com a realidade, o modelo está pronto. Onde o próximo passo é geração de mapas e relatórios técnicos.

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O SisBaHiA® (Sistema Base de Hidrodinâmica Ambiental) é um sistema profissional de modelos numéricos computacionais elaborado pelo Programa de Engenharia Oceânica da COPPE/UFRJ com licença de uso gratuita para fins acadêmicos.

O software SisBaHiA® apresenta diversos módulos:  Modelo Hidrodinâmico 2DH/3D;

 Modelo de Transporte Euleriano;

 Modelo de Qualidade de Água e Eutrofização;

 Modelo de Transporte de Sedimentos e Evolução Morfológica do Fundo;

 Modelo de Transporte Lagrangeano – Determinístico;  Modelo de Transporte Lagrangeano – Probabilístico;

 Modelo de Campo Próximo para Emissários e Fontes Pontuais;  Modelo de Geração d Ondas;

 Modelo de Propagação de Ondas.

No presente trabalho será utilizado o modelo hidrodinâmico 2DH para corpos d’água totalmente barotrópicos.

2.4.1.1 Modelo Hidrodinâmico 2DH

A modelagem matemática de áreas estuarinas tem como finalidade a descrever processos físicos como o movimento hidrodinâmico desses corpos de água através de equações diferenciais parciais (EDP’s) que regem o escoamento. Tais equações utilizam em sua formulação os princípios físicos baseados na conservação do volume (continuidade) e na conservação do momentum ou da quantidade de movimento explicado pela 2ª Lei do movimento de Newton (SIQUEIRA, 2007).

O SisBaHiA® possui um modelo hidrodinâmico de linhagem FIST (fitered in space

and time), otimizado para corpos de água naturais. O FIST3D utiliza uma eficiente técnica

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superfície livre através de uma discretização bidimensional integrado na vertical (2DH) seguido do campo de velocidades.

2.4.1.1.1 Formulação

As incógnitas de um modelo de escoamento 2DH integrado na vertical são determinadas por três equações, listadas a seguir (ROSMAN, 2006):

 Equação da quantidade de movimento em um escoamento 2DH integrado na vertical, na direção x:

 Equação da quantidade de movimento em um escoamento 2DH integrado na vertical, na direção y:

 Equação da continuidade do volume integrada na vertical.

Os termos das equações (4) e (5) são descritos a seguir, tomando como exemplo a equação da quantidade de movimento em x. Todas as descrições são adaptadas de Rosman, 2006:

Representa a taxa de variação temporal do fluxo de quantidade de movimento 2DH por unidade de massa, conhecida como aceleração local do escoamento em uma dada posição. Em escoamentos permanentes, esse termo é igual à zero.

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Representam a taxa de variação espacial do fluxo de quantidade de movimento 2DH na direção x por unidade de massa a partir da aceleração advectiva do escoamento 2DH, em um determinado instante. Em um escoamento permanente esses termos são iguais à zero.

Representa a variação da pressão hidrostática no fluído, na direção x (gradiente de pressão), devido à declividade da superfície d’água na direção x. De acordo com o sinal negativo, este termo força escoamentos de lugares onde o nível de água é mais alto para onde o nível de água é mais baixo.

Representa a diferença de pressão hidrostática na direção x (gradiente de pressão), devido às diferenças de densidade da água na direção x. Como o sinal é negativo, o a direção do fluído é de locais com maior densidade para locais com menor densidade.

Representa a resultante das tensões dinâmicas turbulentas 2DH no escoamento. Esses termos são responsáveis pela geração de vórtices horizontais em zonas de recirculação.

Representa a aceleração de Coriolis devido ao fato do referencial estar se movimentando na superfície da Terra. Esse termo é irrelevante próximo ao equador, em baixas latitudes e em corpos de água relativamente pequenos.

Representa a tensão do vento na superfície livre por unidade de massa. Caso o vento tenha a mesma direção do escoamento, esse termo irá acelerar o escoamento; caso tenha direção contraria, irá retardar o escoamento.

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Representa a tensão de atrito no fundo atuante no escoamento 2DH por unidade de massa. Como o sinal é negativo, esse termo tende a desacelerar o escoamento. O termo depende do tipo de deslocamento e do material do fundo.

Representa efeitos na quantidade de movimento devido à variações de massa em função dos fluxos, por unidade de área, de precipitação qP, evaporação Qe, infiltração qI.

A equação (6) representa os efeitos de continuidade, ou seja, uma massa fluida escoa de forma incompressível, permanecendo com o mesmo volume à medida que se movimenta.

2.4.1.1.2 Discretização Espaço-Temporal

Na discretização do domínio espacial, o modelo FIST3D pode utilizar tanto elementos quadráticos quanto elementos triangulares, porém o modelo só irá aceitar um tipo de cada vez (Figura 16). Entretanto, os elementos quadráticos apresentam melhor resultado e custo-beneficio (ROSMAN, 2006). Ambos os tipos de elementos se utilizam da formulação para elementos finitos, utilizando-se de equações simplificadas.

Figura 16: Elementos aceitos pelo modelo FIST3D. Fonte: Rosman, (2010).

A discretização temporal utilizada pelo FIST3D é feita via método implícito de diferenças finitas, com erro de truncamento de segunda ordem.

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As equações do modelo SisBaHiA® são diferenciais parciais de primeira ordem em relação ao tempo e diferenciais parciais de segunda ordem em relação ao espaço. Portanto, as condições iniciais não satisfazem todos os termos presentes nas equações. São necessárias condições de contorno para representar corretamente o meio, também para que o modelo possa proporcionar uma boa coerência com a realidade local (ROSMAN, 2011).

Os contornos fechados, chamados também contornos de terra, representam margens e seções de rios ou canais que estejam incluídos no domínio de modelagem. Portanto, é nesse contorno onde há imposição de valores de vazão ou velocidade.

Os contornos abertos representam os limites do domínio de modelagem que estão ligados ao oceano como, por exemplo, a entrada de uma baía. Portanto é neste contorno onde a imposição das forçantes de elevação da superfície livre é prescrita (FIGURA 17).

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As condições iniciais são valores de velocidades de corrente, em “U” e “V”, e a elevação da superfície livre no instante inicial. Normalmente se usa o valor nulo para as velocidades de corrente e um valor plausível para a elevação livre da superfície onde se recomenda retirar o valor exato de um instante de preamar. O qual pode ser obtido através de uma previsão de maré por meio das constantes harmônicas atuantes no local.

2.6 CALIBRAÇÃO E VALIDAÇÃO

A validação de modelos hidrodinâmico é feita por meio da comparação entre dados medidos e resultados obtidos do modelo, a fim de avaliar a capacidade do modelo de simular os fenômenos naturais. Muitos autores (ROSMAN, 2011; MARTINS 2011;

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CHENG et al. 1991), citam a comparação qualitativa como usualmente empregada para tal finalidade, sendo mais utilizada e de melhor representatividade elevação de nível d’água.

Neste estudo, foram realizadas as comparações quantitativas e análises de séries temporais comparando dados medidos com os resultados retirados do modelo. Foram testados os dados de nível de água. Avaliando os resultados, quando estes não eram considerados aceitáveis, executava-se a calibração do modelo (ajustes de batimetria, rugosidade do fundo e condições de contorno). Após o modelo apresentar um bom resultado quanto ao nível de água, partiu-se para a validação das velocidades de correntes, e o procedimento iterativo de calibração foi refeito até um resultado satisfatório ser obtido. Quando o nível de água e as velocidades de corrente apresentaram-se coerentes, o modelo foi considerado validado. Para a validação foram utilizados métodos estatísticos e a análise espectral, que serão descritos a seguir.

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O R² é a comparação do erro total do modelo com a variância dos dados. É utilizado para quantificar a variabilidade dos dados que é reproduzida pelo modelo.

Raiz do erro médio quadrático (RMS)

Este parâmetro é amplamente utilizado no cálculo da eficiência de modelos numéricos (MARTINS, 2011), utiliza o erro médio do modelo para avaliar sua eficiência, o qual indica a magnitude erro, porque tem a mesma dimensão física da variável avaliada.

Erro absoluto médio relativo (RMAE)

O erro absoluto médio relativo tem o papel de avaliar o erro do modelo, em relação à soma dos dados medidos. Este parâmetro apresenta a mesma grandeza física do modelo Martins (2002) apresenta uma tabela classificando os valores obtidos para RMAE:

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De forma que valores encontrados maiores que 1 são considerados péssimos, os menores que 1 e maiores que 0,2 serão considerados bons, sendo os menores que 0,2 classificados como excelentes.

2.7 ANÁLISE ESPECTRAL

A análise espectral é uma técnica de quantificação energética de um sinal, por exemplo, uma medição de qualquer fenômeno ao longo do tempo só que analisada no domínio da frequência. Tal ferramenta é largamente utilizada em estudos aplicados de oceanografia e modelagem numérica (CARVALHO, 2003). Quando utilizada na avaliação de modelos numérico-computacionais, apresenta a vantagem de esclarecer se o modelo consegue reproduzir a energia contida em determinada frequência, o que significa dizer se ele consegue representar a dinâmica energética do ambiente modelado, em suas oscilações mais representativas. Cada frequência encontrada deve ser relacionada a fenômenos naturais ou climatológicos, sendo, assim uma ótima ferramenta para interpretação de dados. A Figura 18 ilustra estas relações, correlacionando comprimento de onda, frequências e causas.

Figura 18: Espectro de energia de diferentes tipos de ondas. Relação entre comprimento, frequência e causas. Fonte: Trucollo, (1998).

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Para realização deste trabalho foi necessário primeiramente caracterizar o ambiente estuarino da Baia da Babitonga como ele se encontra no presente. Isso foi feito através de dados meteoceanográficos cedidos gentilmente pelo Laboratório de Oceanografia Física Operacional da Universidade do Vale do Itajaí. Tais dados foram coletados em campanhas oceanográficas que datam entre os anos de 2002 e 2004 para estudos de reabertura do Canal do Linguado em parceria com outras instituições públicas e privadas Os dados obtidos foram processados em ambiente Excel®, Matlab® e

Surfer®.

Após esse processo foram gerados os cenários de interesse que são referentes a Baía da Babitonga no estado atual, com Canal do Linguado obstruído por um dique Hidráulico e os dois cenários referentes ao passado onde a mesma se encontrava com duas conexões com o oceano através do Linguado. Para efeito de acompanhamento da evolução histórica do ambiente foi gerado um terceiro cenário que remete ao Canal do linguado com apenas 120 metros de seção hidráulica devido ao aterramento parcial e construção de uma ponte metálica sobre o Canal do linguado.

A metodologia do estudo será dividida em três etapas para melhor compreensão e visualização dos dados obtidos através do Laboratório de Oceanografia Física, e dos dados pesquisados e estimados para os casos de modelagem dos cenários pretéritos.

3.1 CENÁRIO ATUAL DA BAÍA DA BABITONGA

Para a modelagem do cenário atual foram utilizados os dados referentes as campanhas realizadas no ano de 2003 e 2004 pelo laboratório de oceanografia física operacional e demais instituições participantes. A boa caracterização do cenário atual se mostra muito importante, devido ao fato de o modelo ser calibrado para esse cenário, o único que se tem dados oceanográficos medidos fundamentais para esse feito. E somente com o modelo representativo para esse cenário foi possível fazer inferências sobre o passado hidrodinâmico da Baía da Babitonga.

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O diagnóstico das características do relevo de fundo foram realizadas através da de Modelos Digitais de Terreno (MDT), de acordo com a metodologia proposta por Bonetti Filho & Furtado (1996). As cotas foram adquiridas através de arquivos já digitalizados no LOF das Cartas Náuticas números 1800, 1804, 1805, 1830 e dados batimétricos coletados pelo Instituto de pesquisas Hidroviárias (INPH) 2003 também UNIVALI-LOF 2005 (FIGURA 19). As informações de cotas foram casadas com as coordenadas geográficas, através do software SURFER 8 para Windows. Para o levantamento destes dados utilizou-se um ecobatímetro de precisão Marca Elac Honeyweel, modelo LAZ 4100, operando com um transdutor de alta frequência de 200 kHz e precisão de 0,25%. O projeto da sondagem e a navegação contaram com o software HypackTM MAX da Costal Oceanographics, Inc, elaborado para navegação e aquisição de dados geofísicos

Para a geração dos mapas batimétricos foi utilizado o método de interpolação Inverso da distancia ao quadrado, o qual é um dos mais utilizados para isso. Onde Interpolar é o mesmo que predizer um valor de uma variável conhecida num ponto não amostrado, onde a essência da principio dos vários métodos de interpolação é basicamente a mesma, sendo o ponto a ser predito a somatória dos produtos entre os valores das variáveis obtidas nos pontos conhecidos atribuindo-se via cálculos diferentes pesos para os pontos (LADIM, 2000)

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Figura 19: Mapa da área de estudo com os pontos batimétricos utilizados no cenário atual retirado de Silva, (2011).

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Os dados meteorológicos e hidrodinâmicos que foram utilizados na caracterização hidrodinâmica do Canal do Linguado e Baía da Babitonga foram cedidos do banco de dados gerado pelo Laboratório de Oceanografia Operacional da UNIVALI. A Figura 20 mostra a localização dos pontos de coleta de dados. Para a caracterização da área foram utilizados perfiladores acústicos ADP, estações meteorológicas, marégrafos, sensores de pressão, nível de precisão e ecobatímetro.

Figura 20: Localização dos pontos de coleta dos parâmetros oceanográficos e meteorológicos da área de estudo retirado de Bucci, (2004).

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Os dados utilizados nesse trabalho com relação ao nível de água foram obtidos através da instalação de oito estações maregráficas ao longo da Baía da Babitonga e do Canal do Linguado (TABELA 2). Porém foram utilizados os dados das estações números #3,#6,#7,e#8, essa decisão foi tomada para diminuir o numero de resultados obtidos, também porque as estações escolhidas abrangem a área foco do estudo e a Baía da Babitonga como um todo.

Tabela 2 Localização e período de coleta dos dados de nível de água na Baía da babitonga utilizados no estudo.

Estações Maregráficas Latitude Longitude Data-início Data-final

# 1- Monobóia Petrobrás 260 13,80’ 0480 25,05’ 02/01/2003 03/02/2003

# 2 - Penha 260 46,50’ 0480 38,50’ 13/12/2002 20/01/2003

# 3 - Praia do Capri 260 10,90’ 0480 34,00’ 05/02/2003 05/03/2003

# 4 - Rio Palmital 260 08,00’ 0480 48,50’ 05/02/2003 05/03/2003

# 5 - Iate clube, Joinville 260 17,50’ 0480 46,00’ 05/02/2003 05/03/2003 # 6 - Norte, C. Linguado 260 22,00’ 0480 40,50’ 05/02/2003 05/03/2003 # 7 - Ilha dos remédios 260 27,40’ 0480 34,85’ 05/12/2002 05/01/2003 # 8 - Sul, C. Linguado 260 22,00’ 0480 39,00’ 05/02/2002 24/03/2002

Para otimizar e racionalizar o uso dos equipamentos a coleta de dados os sistemas Baía da Babitonga e Canal do Linguado foram trabalhados de forma independente e por isso não precisou haver simultaneidade das coletas. Método esse de amostragem adota para a realização dos Estudos Ambientais da Baía da Babitonga-Canal do Linguado (2004).

Informações sobre velocidade e direção dos ventos foram obtidas por meio de três estações meteorológicas marca Davis instaladas na área entorno a Baía da Babitonga. A primeira estação, V1 (Barra do Sul) foi instalada na parte superior de um prédio numa altitude inferior a 20 m, correspondendo às coordenadas 260 27,2’ S e 480 36,1’ W, entre os dias 05/12/2002 e 08/04/2003. A segunda foi instalada na área interna