ANÁLISE DO ESCOAMENTO EM REGIÕES ESTUARINAS COM MANGUEZAIS – MEDIÇÕES E MODELAGEM NA BAÍA DE VITÓRIA, ES.
Daniel Rigo
TESE SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DA COORDENAÇÃO DOS PROGRAMAS DE PÓS-GRADUAÇÃO DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE DOUTOR EM CIÊNCIAS EM ENGENHARIA OCEÂNICA.
Aprovada por:
________________________________________________ Prof. Paulo Cesar Colonna Rosman, Ph.D.
________________________________________________ Profª. Enise Maria Salgado Valentini, D.Sc.
________________________________________________ Profª. Susana Beatriz Vinzon, D.Sc.
________________________________________________ Prof. Edmilson Costa Teixeira, Ph.D.
________________________________________________ Profª. Cynara de Lourdes da Nóbrega Cunha, D.Sc.
RIO DE JANEIRO, RJ – BRASIL MARÇO DE 2004
RIGO, DANIEL
Análise do Escoamento em Regiões Es- tuarinas com Manguezais – Medições e Mo- delagem na Baía de Vitória, ES.
[Rio de Janeiro] 2004
VII, 140 p. 29,7 cm (COPPE/UFRJ, D.Sc., Engenharia Oceânica, 2004)
Tese - Universidade Federal do Rio de Janeiro, COPPE
1. Hidrodinâmica em Manguezais
2. Modelagem de Estuários com Manguezais I. COPPE/UFRJ II. Título ( série )
AGRADECIMENTOS
Ao Prof. Paulo Cesar Colonna Rosman, por todo o incentivo, apoio e amizade.
Ao Prof. Edmilson Costa Teixeira, primeiro incentivador do desenvolvimento das pesquisas deste trabalho na região da Baía de Vitória.
Ao Prof. Antônio Sergio Ferreira Mendonça, por todo o incentivo.
Ao Prof. Julio Tomas Aquije Chacaltana, pela colaboração no desenvolvimento e discussão das modelagens computacionais.
Aos companheiros do Departamento de Engenharia Ambiental da Universidade Federal do Espírito Santo, pela confiança neste trabalho.
Ao Grupo de Estudos e Ações em Recursos Hídricos (Gearh) da UFES, que apoiou o desenvolvimento deste trabalho, em particular a seus integrantes que de muitas maneiras contribuíram para a realização dos trabalhos de campo e auxílio ao tratamento de dados.
Ao Fundo de Apoio à Ciência e Tecnologia da Prefeitura Municipal de Vitória (ES), pelo apoio aos projetos de pesquisa que auxiliaram ao levantamento de dados deste trabalho.
A minha família, pelo apoio incondicional em todas as horas.
A todos que de alguma maneira contribuíram para a realização deste trabalho, e foram muitos...
Resumo da Tese apresentada à COPPE/UFRJ como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Doutor em Ciências (D.Sc.)
ANÁLISE DO ESCOAMENTO EM REGIÕES ESTUARINAS COM MANGUEZAIS – MEDIÇÕES E MODELAGEM NA BAÍA DE VITÓRIA, ES.
Daniel Rigo
Março/2004
Orientador: Paulo Cesar Colonna Rosman
Programa: Engenharia Oceânica
Este trabalho estuda o escoamento provocado pela maré em estuários com manguezais. A região da Baía de Vitória (ES, Brasil) foi utilizada como estudo de caso para os experimentos de campo, tendo sido realizados levantamentos batimétricos e altimétricos no manguezal, além de medições de nível d’água e correntes. O escoamento nesta região foi modelado com um modelo 2DH para investigar a influência do manguezal na hidrodinâmica da região. Os resultados deste trabalho indicam que o manguezal tem um papel importante na deformação da onda de maré, propiciando a dominância das correntes de vazante, e que o volume armazenado no manguezal é determinante nesta dominância. Os resultados da modelagem auxiliaram no entendimento da zona de convergência barotrópica que ocorre em um canal da região de estudo.
Abstract of Thesis presented to COPPE/UFRJ as a partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Science (D.Sc.)
ANALYSIS OF FLOW IN ESTUARINE REGIONS WITH MANGROVES - MONITORING AND MODELING IN VITÓRIA BAY, ES.
Daniel Rigo
March/2004
Advisor: Paulo Cesar Colonna Rosman
Department: Ocean Engineering
This work studies the flow of tides in estuaries presenting mangrove areas. Vitoria Bay (ES, Brazil) was used for a field study case. There were made surveys for altimetry and batimetry mapping and water level and currents measurements. The flow was modeled by utilizing a 2DH model in order to investigate the influence of mangrove over the region hydrodynamics. The results from the studies indicate that mangrove plays an important role in tidal wave deformation. It makes the ebb tide currents dominants, and the mangrove storage volume is determinant in this dominance. The results from modeling help to understand the barotropic convergence zone that occurs in a channel located at the study region.
ÍNDICE
AGRADECIMENTOS ... ii RESUMO ... iv ABSTRACT ...v CAPÍTULOS 1. Introdução e Objetivos ...1 1.1. Objetivo Geral ...3 1.2. Objetivos Específicos ...3 2. Revisão Bibliográfica ...5 2.1. O Ecossistema do Manguezal...52.1.1. A geometria do manguezal e a interação da vegetação com a hidrodinâmica ...6
2.2. Os Manguezais no Brasil...9
2.3. Os Manguezais e o Sistema Estuarino da Baía de Vitória ... 10
2.4. Hidrodinâmica em Regiões de Manguezais ... 15
2.5. Propagação da Maré e Assimetria de Velocidades em Regiões Estuarinas ... 19
2.6. Modelagem do Escoamento em Manguezais ... 28
2.7. Trabalhos Anteriores na Região de Estudo ... 35
3. Metodologia ... 37
3.1. Mapeamento da Região de Estudo ... 37
3.2. Experimentos de Hidrodinâmica ... 41
3.3. Modelagem Computacional neste Trabalho ... 45
3.3.1. O modelo DIVAST... 46
4. Resultados e Discussão... 53
4.1. Mapeamento e Batimetria... 53
4.1.1. Sobre a precisão de levantamentos batimétricos e altimétricos ... 60
4.2. Monitoramento de Nível d’Água e Correntes ... 63
4.2.1. A maré ... 63
4.3. Monitoramentos de Caracterização da Baía de Vitória ... 91
4.4. Ensaio de Traçador ... 97
4.5. Modelagem da Hidrodinâmica ...100
5. Conclusões...130
6. Sugestões para Trabalhos Futuros ...132
7. Referências Bibliográficas... 133
1. Introdução e Objetivos
Manguezais são ecossistemas de florestas atingidos pela maré em ambientes costeiros abrigados salinos a salobros. As florestas de manguezais estão geograficamente concentradas ao longo das partes abrigadas de costas, estuários e lagunas (AUGUSTINUS, 1995). Ao longo da costa brasileira a maior parte dos manguezais está associada a regiões estuarinas (HERZ, 1991).
Atualmente no Brasil, diversas cidades instaladas em regiões próximas a manguezais enfrentam problemas relacionados com a poluição das águas costeiras, devido aos despejos domésticos e industriais lançados em áreas de usos múltiplos (pesca, transporte, atividades portuárias, lazer).
Do ponto de vista da inter-relação manguezal-estuário-região costeira, o conhecimento das trocas realizadas através do escoamento que acontecem entre estes ecossistemas interdependentes é importante para o conhecimento de sua ecologia. Sem se conhecer estas trocas é difícil avaliar os impactos que modificações impostas a um destes ecossistemas ocasionariam no outro, incluindo tanto o meio físico quanto a biota. Sem este conhecimento não se pode, com segurança, propor planos de manejo que tentem fazer um uso sustentável de longo prazo dos recursos do manguezal ou do estuário.
Dentre os fatores que determinam a qualidade das águas em regiões costeiras e estuarinas, a hidrodinâmica é um dos preponderantes. Devido à complexidade dos escoamentos nestas regiões, a modelagem computacional tem sido bastante utilizada para sua simulação (MARTIN & MCCUTCHEON, 1999).
Os trabalhos envolvendo a modelagem computacional de regiões com presença de manguezais (WOLANSKI et al., 1980; WOLANSKI et al., 1990; WATTAYAKORN et al., 1990; FURUKAWA et al., 1997; WU et al., 2001) têm poucas comparações de resultados de modelagens com medições, as comparações existentes são em sua maioria para períodos curtos, e não apresentam análises abrangentes da influência do manguezal para a hidrodinâmica de regiões estuarinas com manguezais.
O Brasil conta com uma rica bibliografia sobre manguezais, voltados basicamente para o estudo da biota (KJERFVE & LACERDA, 1993). Até o presente não são conhecidos trabalhos desenvolvidos no Brasil que tenham modelado o escoamento ou a qualidade de água em manguezais ou ainda que tenham considerado a influência de manguezais na modelagem de águas costeiras e estuarinas.
Um aspecto importante da hidrodinâmica de regiões com manguezais, a dominância das correntes em canais de manguezais, tem sido atribuída à presença do manguezal (WOLANSKI et al., 1980; WOLANSKI et al., 1992; MAZDA et al., 1995; MAZDA et al., 1997). A literatura consultada não apresenta discussões sobre o volume armazenado no manguezal que propiciaria esta dominância, mas há autores (SPEER & AUBREY, 1985; FRIEDRICHS & AUBREY, 1988) que desenvolveram metodologias para a avaliação da dominância de correntes em regiões estuarinas levando em conta o volume armazenado no estuário. No presente trabalho será analisada a importância do volume armazenado no manguezal na hidrodinâmica, e também a aplicabilidade da teoria que trata da dominância de correntes em regiões estuarinas às regiões com manguezais.
A técnica de traçadores é uma ferramenta bastante útil para estudos de hidrodinâmica, e seu emprego tem sido facilitado com o uso de traçadores fluorescentes (MARTIN & MCCUTCHEON, 1999). Devido à complexidade do escoamento em regiões de manguezal, esta técnica pode ser importante para auxiliar no entendimento do escoamento nestas regiões, apesar da literatura consultada não reportar casos em que traçadores tenham sido utilizados em manguezais.
Para a realização das pesquisas pretendidas, não foram encontrados dados geométricos e hidrodinâmicos disponíveis de regiões estuarinas com manguezais no Brasil com detalhamento suficiente para o desenvolvimento deste trabalho.
Assim, a região no entorno da Ilha de Vitória (ES) foi utilizada como laboratório para as pesquisas, onde foram realizados monitoramentos e modelagens. Essa região conta com uma extensa área de manguezal, e tem sido objeto de vários trabalhos que buscaram o entendimento da sua hidrodinâmica (BARROS FILHO, 2002), mas a área de manguezal ainda não foi considerada nas modelagens realizadas para a Baía de Vitória.
1.1. Objetivo Geral
Contribuir para o entendimento da hidrodinâmica em regiões estuarinas com manguezais, utilizando medições e modelagem do escoamento.
1.2. Objetivos Específicos
1. Realizar o mapeamento plani-altimétrico de uma região estuarina com manguezal para avaliar a influência da geometria do manguezal na hidrodinâmica.
2. Monitorar marés e correntes em uma região estuarina com manguezal para analisar sua hidrodinâmica.
3. Aplicar a técnica de traçadores em uma região de manguezal, testando a aplicabilidade desta técnica para o entendimento do escoamento nesta região.
4. Avaliar a aplicação da teoria que trata da influência de áreas alagáveis sobre a hidrodinâmica às regiões estuarinas com manguezal.
5. Modelar a hidrodinâmica no entorno da Ilha de Vitória considerando o manguezal.
No Capítulo 2 tem-se a revisão bibliográfica, apresentando as principais características dos manguezais, principalmente aquelas diretamente relacionadas com sua hidrodinâmica, além das características da região pesquisada. São descritas as metodologias que têm sido empregadas para a modelagem do escoamento em manguezais e indicadas as comparações de dados modelados com medições existentes na literatura. Neste capítulo também é feita a revisão dos trabalhos que tratam da dominância de correntes em regiões estuarinas.
No Capítulo 3 são descritas as metodologias utilizadas para os monitoramentos e modelagens realizados neste trabalho.
No Capítulo 4 apresentam-se os resultados dos monitoramentos executados na Baía de Vitória e sua análise para entendimento da dominância de correntes, e também os resultados da modelagem do escoamento.
Finalmente, o Capítulo 5 traz as mais relevantes conclusões deste trabalho e o Capítulo 6 algumas sugestões que podem inspirar futuros trabalhos.
2. Revisão Bibliográfica
2.1. O Ecossistema do Manguezal
O manguezal é um ecossistema costeiro, de transição entre os ambientes terrestre e marinho, característico de regiões tropicais e subtropicais, sujeito à ação das marés e de ocorrência em regiões costeiras abrigadas. Constitui-se de espécies vegetais lenhosas típicas (angiospermas), além de micro e macroalgas, adaptadas à flutuação de salinidade e que colonizam sedimentos predominantemente lodosos, com baixos teores de oxigênio (SCHAEFFER-NOVELLI, 1995).
Todas as espécies vegetais lenhosas do manguezal têm em comum serem adaptadas a solos úmidos e frouxos, habitates salinos a salobros e submergência periódica pela maré (HATCHER et al., apud AUGUSTINUS, 1995).
Os manguezais estão presentes nas costas de todos os continentes, apresentando maior desenvolvimento na faixa entre os trópicos de Câncer e de Capricórnio, ocasionalmente estendendo-se até latitudes maiores, onde são menos desenvolvidos por causa das temperaturas mais baixas. No mundo existem aproximadamente 162.000 km2 deste ecossistema (KJERFVE & LACERDA, 1993; YOKOYA, 1995).
As espécies vegetais presentes no manguezal, comumente denominadas de mangue, são halófitas, e embora possam desenvolver-se em ambientes sem a presença de sal, nestas condições não ocorre a formação de bosques, pois perdem espaço na competição com plantas de crescimento mais rápido. Rhizophora (mangue vermelho) é dos gêneros menos tolerantes à presença de sal, desenvolvendo-se melhor em regiões onde a água intersticial apresenta concentrações menores que 50‰; Avicennia (mangue preto, siribeira, siriúba) é dos gêneros mais tolerantes, sobrevivendo em locais aonde a água intersticial chega de 65 a 90‰ de sal na água; o gênero Laguncularia (mangue tinteira) apresenta tolerância intermediária quando comparado aos anteriores (FERNANDES & PERIA, 1995).
A maioria das angiospermas consideradas como típicas do manguezal apresenta reprodução por viviparidade, o que permite que as sementes permaneçam na árvore-mãe até transformarem-se em embriões. Estas estruturas, os propágulos, acumulam grande quantidade de reservas nutritivas antes de se desprenderem, permitindo sua sobrevivência enquanto flutuam até encontrarem ambiente adequado para sua fixação (SUGIYAMA, 1995).
As marés são o principal mecanismo de penetração das águas salinas no manguezal, e estas inundações periódicas tornam esta região favorável a colonização pela vegetação do mangue por excluir plantas não tolerantes à presença de sal. A distância máxima de penetração da água salgada determina o limite do manguezal em direção a terra, podendo atingir dezenas de quilômetros. A amplitude da maré determina a renovação das águas superficiais e intersticiais, sendo importante para o transporte e fixação de propágulos, além do transporte de matéria orgânica particulada e/ou dissolvida para as regiões adjacentes (FERNANDES & PERIA, 1995).
O escoamento através do substrato do manguezal geralmente é muito menor em magnitude do que as correntes determinadas pela maré, mas é importante na determinação da química no entorno das raízes do mangue e na água dos canais (WOLANSKI et al., 1992).
2.1.1. A geometria do manguezal e a interação da vegetação com a hidrodinâmica
Os manguezais caracterizam-se por possuírem canais com margens inclinadas, onde a profundidade é maior do que o nível mais baixo atingido pelas marés, pelos quais a maré se propaga. Estes canais podem ter geometrias bastante variáveis, desde relativamente estreitos e profundos até bastante largos e com pouca profundidade.
Além dos canais, uma característica muito marcante do manguezal é a existência de grandes áreas laterais aos canais, com baixa declividade e ocupadas pelas espécies vegetais lenhosas descritas, que funcionam como planícies de inundação (WOLANSKI et al., 1992). Assim, estas áreas podem ser classificadas como áreas entre-marés (intertidal areas) dominadas pela maré (EISMA, 1988). Estas áreas são mais rasas que os canais e geralmente inundadas apenas na parte do ciclo da maré no entorno da
preamar, permanecendo emersas no restante do tempo (AUGUSTINUS, 1995). Assim podem-se distinguir regiões, a partir da borda dos canais, onde a maré provoca uma lâmina d’água decrescente em direção ao limite externo ao manguezal, e que têm uma freqüência de inundação menor à medida que estão mais distantes do canal. A máxima extensão lateral aos canais atingida pela maré acontece apenas algumas vezes ao ano, nas maiores marés.
As declividades do terreno do manguezal reportadas na literatura variam entre 1.10-3 e 4.10-3 (m/m), com a razão de área de mangue por área de canal situando-se na faixa de 2 a 10, o que indica que o manguezal pode aumentar consideravelmente o prisma de maré de regiões estuarinas (WOLANSKI et al., 1992).
Os sedimentos no mangue possuem características variáveis devido as suas diferentes origens. Geralmente têm muita matéria orgânica e alto conteúdo de sal, são pouco consistentes e possuem cor cinza escuro (FERNANDES & PERIA, 1995).
Os troncos e raízes do mangue formam uma intrincada rede de obstáculos ao escoamento, cuja geometria depende das espécies presentes (MAZDA et al., 1997; FURUKAWA et al. 1997). Além disso, a presença de raízes, galhos, troncos e folhas caídas, buracos de animais (principalmente caranguejos) torna o micro-relevo do solo bastante movimentado (MAZDA et al., 1997). Assim, além de uma alta rugosidade no leito, há o efeito de bloqueio do escoamento pela vegetação (WOLANSKI et al., 1980; MAZDA et al., 1997; WU et al., 2001; STRUVE et al., 2003). As fotos a seguir (Figuras 1, 2 e 3) apresentam alguns locais no manguezal da Baía de Vitória.
As raízes e troncos do mangue também influenciam o escoamento nos canais, pois durante parte do ciclo de maré o nível d’água nos canais atinge as árvores que os margeiam. Podem-se distinguir três diferentes etapas da interação da vegetação com o escoamento, a partir da baixamar: inicialmente só existe água nos canais e o nível desta não atinge as raízes do mangue; em seguida o nível sobe o suficiente para o escoamento ser influenciado pelas raízes e troncos que margeiam os canais; a seguir o nível d’água sobe até a borda dos canais e o escoamento passa a atingir as áreas laterais ocupadas pela vegetação.
Figura 1: Floresta do manguezal nas proximidades de um canal, onde a inundação é maior; a espécie é Rhizophora mangle e as maiores árvores têm mais de 10 m de altura.
Figura 2: Floresta do manguezal em local mais elevado, distante do canal, onde a inundação ocorre apenas nas maiores marés da sizígia; o porte das árvores é bem menor.
Figura 3: Local na floresta do manguezal onde a inundação da maré alcança níveis d’água intermediários entre os dois locais anteriores.
2.2. Os Manguezais no Brasil
O Brasil possui de 10.000 a 25.000 km2 de manguezais, dependendo da fonte consultada (YOKOYA, 1995). KJERFVE & LACERDA (1993) apontam levantamentos que indicam um total entre 10.000 e 13.000 km2. Desde o Amapá até Santa Catarina são encontrados ao longo de todo o litoral, margeando estuários, baías, lagunas e enseadas. Os estados do Maranhão, Pará, Amapá e Bahia, nesta ordem, são os que possuem maiores áreas de manguezais, e juntos somam mais de 80% do total brasileiro; somente o Maranhão tem cerca de 40% da área de manguezais do Brasil (KJERFVE & LACERDA, 1993).
HERZ (1991) aponta uma área de manguezais de 10.122 km2, assim distribuídos:
- Costa Norte (Amapá ao Rio Grande do Norte): 8.605 km2 - Costa Leste (Rio Grande do Norte ao Espírito Santo): 997 km2 - Costa Sul (Rio de Janeiro a Santa Catarina): 520 km2
Os manguezais do Brasil são compostos por árvores de ocorrência específica no manguezal e por uma flora diversificada associada tanto aos habitates aquáticos quanto terrestres. Dentre as árvores de ocorrência específica tem-se o gênero Rhizophora com três espécies, o gênero Avicennia com duas espécies e os gêneros Laguncularia e Conocarpus com uma espécie cada. Rhizophora mangle é a espécie encontrada na maior variedade de condições ambientais, do Amapá até Santa Catarina (KJERFVE & LACERDA, 1993).
É difícil identificar uma fauna exclusiva do manguezal, pois os animais aí presentes também ocorrem em outros ambientes costeiros como baías, estuários e lagunas. KJERFVE & LACERDA (1993) indicam levantamentos da fauna dos manguezais brasileiros que encontraram 86 espécies de pássaros, 51 de crustáceos, 33 de moluscos e 185 de peixes, além de mais de 10 espécies de mamíferos. Estes levantamentos incluem espécies residentes, transientes e migratórias.
2.3. Os Manguezais e o Sistema Estuarino da Baía de Vitória
Os manguezais ao norte da Baía de Vitória têm sua distribuição apresentada na Figura 4, ocupando uma área em torno de 2.000 ha, distribuindo-se a leste pelo município de Vitória, ao norte pelo município da Serra e a oeste pelo município de Cariacica. Os principais rios que deságuam nesta região são o Santa Maria da Vitória, o Bubu, o Marinho e o Aribiri.
Segundo CARMO (1987), estes manguezais são constituídos por Rhizophora mangle (aproximadamente 60%), Laguncularia racemosa (aproximadamente 30%) e Avicennia schaueriana (aproximadamente 10%). Não existe uma zonação rígida destas espécies
no manguezal, que pode ser classificado como ribeirinho nas porções próximas aos canais e como de bacia na sua parte interna. A densidade do bosque ribeirinho é cerca de 1.393 árvores/ha, a do bosque de bacia cerca de 2.145 árvores/ha e a altura média do bosque é de 13,7 m. A área basal do bosque ribeirinho é de 17,2 m2/ha e a do bosque de bacia é de 12,4 m2/ha; o diâmetro médio das árvores do bosque ribeirinho é 13,2 cm, enquanto o do bosque de bacia é 11,0 cm. Para estas determinações consideram-se apenas as árvores com diâmetro à altura do peito maior do que 2,5 cm.
CARMO (1987), FERREIRA (1989) e CARMO et al. (1995) apontam os impactos a que este ecossistema tem sido submetido ao longo dos anos, que ocasionaram uma diminuição de sua área principalmente por aterros. Atualmente os aterros em manguezais têm sido bastante coibidos pelos órgãos de controle ambiental e deixaram de ser uma ameaça importante. Os despejos de esgotos (principalmente domésticos) sem tratamento configuram-se como a grande ameaça atual a esse ecossistema.
A vazão média anual do rio Santa Maria da Vitória (rio Santa Maria), principal contribuinte de água doce para o sistema estuarino mostrado na Figura 4, é de 15,7 m3/s, com médias mensais variando entre 8,1 e 25,6 m3/s (SANTOS, 1994). A vazão que chega à região estuarina é regulada pelas Usinas de Rio Bonito e Suíça. Estima-se que a soma da vazão média anual de todos os outros contribuintes não ultrapasse 3 m3/s. Dentre estes, o rio Marinho é o que tem a maior contribuição; os rios Bubu e Aribiri são córregos que desembocam na baía, com pequenas bacias contribuintes, bastante influenciados pela maré e com manguezais em suas desembocaduras.
Desse modo, o corpo d’água chamado de Baía de Vitória pode ser considerado como parte do estuário do Rio Santa Maria da Vitória. Utilizando os tipos geomorfológicos mais comuns, este poderia ser classificado como estuário de planície costeira (MIRANDA et al., 2002). A barragem submersa na captação de água da CESAN (Figura 4) é o limite da intrusão salina no rio Santa Maria (CORREIA JÚNIOR, 2003).
Os corpos d’água que contornam a Ilha de Vitória (ES) são o Canal da Passagem, a Baía de Vitória e a Baía do Espírito Santo. O Canal da Passagem liga a Baía do Espírito Santo, no início da Praia de Camburi, à porção norte da Baía de Vitória, recebendo a influência da maré em suas duas extremidades e drenando boa parte do manguezal
existente. Sua largura é de cerca de 80 m, com a menor largura sob a Ponte da Passagem, com 35 m. As profundidades neste canal variam tipicamente entre 1 e 7 m.
A Baía de Vitória estende-se desde a desembocadura do Rio Santa Maria da Vitória até a Baía do Espírito Santo, contendo o Porto de Vitória e seu canal de acesso. A largura varia desde 1,60 km na região da Ilha das Caieiras, onde a profundidade é menor (cerca de 4 m na parte mais profunda) até 160 m em frente ao Morro do Penedo na região do Porto de Vitória, onde a profundidade alcança 24 m.
A Baía do Espírito Santo é limitada a norte pela Ponta de Tubarão (onde se localiza o Porto de Tubarão) e a sul pela Ponta de Santa Luzia. Este corpo d’água comunica-se com o mar aberto, recebendo a influência das ondas geradas no oceano, tendo 3,6 km na boca. Suas profundidades aumentam gradualmente, a partir da praia de Camburi, até cerca de 15 m, com o canal de acesso ao Porto de Tubarão dragado a 22 m.
As marés da região são classificadas como micromarés, com a altura das marés menor que 2 m (DAVIES, 1973 apud DYER, 1997). Também se classificam como semidiurnas com desigualdades diurnas. Observando-se estritamente o critério de COURTIER (COURTIER, 1938, apud FRANCO, 1988) a classificação seria de maré semidiurna, mas as desigualdades diurnas observadas são importantes (BARROS FILHO, 2002).
MARÉGRAFOS CORRENTÓGRAFOS
N
Rio B ubu Terceira Ponte MANGUE EAMES Stº Antônio Ilha das Caieras Tubarão PassagemBaía do Espírito Santo UFES Ba ía d e V itóri a Vila Velha Morro do Penedo Porto de Vitória Ponta de Tuba rão Ponta de Stª Luzia Tombo da Maré Praia de Cambur i Ponte de Camburi 0 1 2 3 Km Cinco Pontes
Na região de encontro da calha do rio Santa Maria com a porção norte da Baía de Vitória, ocorre um grande aumento da seção do escoamento propiciando a deposição de sedimentos de origem fluvial. O resultado é uma estrutura típica de delta de vazante, com bancos de sedimentos e ilhas, inclusive com a formação de distributários. Esses bancos de sedimentos têm sido colonizados com a vegetação do manguezal (FERREIRA, 1989).
PAIVA (1999) realizou um mapa faciológico dos sedimentos de fundo do Canal da Passagem e de um trecho da Baía de Vitória (Figura 5), onde identificou regiões com areia, areia lamosa, lama arenosa e lama.
Figura 5: Mapa faciológico dos sedimentos de fundo do Canal da Passagem e de um trecho da Baía de Vitória, adaptado de Paiva (1999).
2.4. Hidrodinâmica em Regiões de Manguezais
Nesta seção é feita a revisão dos mais relevantes trabalhos encontrados na literatura que tratam da hidrodinâmica em regiões de manguezais, principalmente os que buscam explicar aspectos relacionados à física do escoamento.
WOLANSKI et al. (1980) apresentaram o primeiro trabalho onde o escoamento em manguezais foi tratado de modo quantitativo e detalhadamente. Estes autores apresentaram medições de velocidade e nível d’água feitos em Coral Creek (Austrália), um canal com 5 km de extensão e com bosques de mangue com 100 a 300 m de largura em suas margens. Foram feitas medições de velocidade em várias profundidades em alguns pontos do canal, que indicam a dominância de vazante, com valores de pico de até 2 m/s (altura de maré ~ 3 m). Os autores apontam esta dominância de vazante como responsáveis pela manutenção da profundidade dos canais, impedindo seu assoreamento.
Estes autores fizeram estimativas das correntes no interior do bosque do manguezal com o lançamento de contas de poliestireno flutuantes na maré baixa, e encontrou-se que durante a maré enchente as velocidades são baixas, usualmente menores que 3 cm/s e direcionadas aproximadamente perpendiculares às margens do canal. Durante a maré vazante as velocidades são cerca de duas vezes mais altas e orientadas em direção ao canal interceptando as margens em um ângulo entre 10 e 30 graus. Estas observações foram também confirmadas por medidas de velocidades feitas em uma clareira no bosque do manguezal, situada a 50 m do canal próximo. Foram realizadas medições para determinação do coeficiente de Manning que apontaram valores na faixa de 0,2 a 0,4 (s.m-1/3) no mangue, cerca de uma ordem de grandeza maior do que no canal (faixa de 0,02 a 0,04 s.m-1/3). Neste trabalho é apresentada a única medição de velocidades em várias profundidades em um canal de mangue encontrada na literatura consultada.
WOLANSKI et al. (1990) estudaram (com modelagem e medições) o escoamento em um grande canal (Hinchinbrook Channel, com 109 km2 de espelho d’água) que drena
uma extensa área de manguezal (164 km2) na Austrália. As medições de velocidades
parcialmente à presença dos manguezais. Os manguezais foram considerados importantes no grande aumento do prisma de maré e por controlarem a dispersão de solutos, devido ao aprisionamento lateral (trapping) da água do canal.
RIDD et al. (1990) analisaram a difusão longitudinal em canais de maré circundados por manguezais analiticamente e numericamente, evidenciando que o efeito da difusão turbulenta é negligível comparado com a dispersão devida ao efeito de aprisionamento provocado pelos manguezais. O coeficiente de difusão efetivo médio ao longo do ciclo de maré foi determinado como dependente do quadrado da distância da cabeça do canal de maré. Assim, os autores apontam que grandes tempos de residência são prováveis de existir apenas nas regiões próxima à cabeça dos canais, indicando que os manguezais são sistemas eficientes para dispersar contaminantes ou nutrientes para a zona costeira.
WOLANSKI et al. (1992) apresenta medições mais detalhadas feitas para determinação do coeficiente de Manning no manguezal de Nakama Gawa (Irimote Island, Japão). Os valores calculados foram da ordem de 0,4, e estiveram na faixa de 0,2 a 0,7 s.m-1/3. São apresentados valores de medições de declividade da linha d’água com valores de até 10-3 (m/m), com velocidades menores que 0,1 m/s. Os grandes gradientes da superfície d’água são devidos aos grandes efeitos friccionais no mangue, e indicam que os níveis d’água máximos alcançados no canal não atingem os limites do bosque do mangue, que pode estar a centenas de metros de distância.
Esses autores também discutem a assimetria da maré nos canais do manguezal, onde as velocidades da vazante em canais com grandes áreas de mangues são freqüentemente 20 a 50% maiores do que as velocidades de enchente. Isso foi atribuído à mudança de fase do sinal da maré entre a cabeça e a boca do canal, devido à fricção com o leito e raízes do mangue. Quando a maré alcança a preamar na cabeça do canal, já está vazando na boca, o que provém a declividade da água necessária para acelerar a água de volta em direção à boca quando a vazante começa. Isso é mostrado esquematicamente na Figura 6, onde as alturas atingidas pela água são mostradas para a enchente (t1) e vazante (t2).
Embora o nível d’água no canal nas duas situações seja o mesmo, os níveis d’água e seus gradientes no mangue são bem diferentes.
Figura 6: Níveis d’água em um canal de maré e na floresta do manguezal durante a enchente e a vazante, adaptado de WOLANSKI et al. (1992).
MAZDA et al. (1995) analisam a assimetria da maré em canais de mangue usando um modelo numérico 2DH para identificar a interação da geometria do canal de maré e as áreas laterais densamente ocupadas pela vegetação, onde o efeito da vegetação no escoamento foi parametrizado pelo coeficiente de arrasto (γ). Estes autores apontam que a assimetria das velocidades é negligível para valores de densidade de vegetação (que induzem força de arrasto) muito baixos ou muito altos e que a velocidade num canal de mangue pode ser modelada como a soma de duas parcelas: uH e uA. uH é devida ao
escoamento provocado pela maré em um canal sem planícies de inundação e é simétrica em relação à maré; uA é devida à troca de água entre o canal e o mangue e apresenta
uma assimetria pronunciada em relação à maré (Figura 7). Dentro do mangue, o nível d’água e a velocidade do escoamento são fortemente controlados pela força de arrasto devida à vegetação. A assimetria das correntes no canal é governada por uma relação de fase, pois o horário do valor de pico de uA é diferente do de uH, além de uma relação de
amplitude, pois o valor de pico de uA na enchente é maior do que seu valor de pico na
vazante (Figura 7).
Segundo estes autores, devido à relação de fase, a velocidade máxima no canal decresce na enchente e cresce na vazante para valores maiores da força de arrasto no mangue, resultando na dominância da vazante no canal. Quando a força de arrasto é excessiva, a dominância da vazante é reduzida devido à relação de amplitude (Figura 8). Isso sugere que em áreas de manguezais naturais há um mecanismo de retro-alimentação entre a vegetação do mangue, assoreamento e escoamento que mantém o ecossistema do manguezal otimizado.
Figura 7: Velocidade em um canal de manguezal como composição das componentes uH
e uA, adaptado de MAZDA et al. (1995).
Figura 8: Velocidade em um canal de manguezal como composição das componentes uH
e uA, em função do coeficiente de arrasto γ, adaptado de MAZDA et al. (1995).
MAZDA et al. (1997) realizaram medidas do escoamento no manguezal em Nakama Gawa (Irimote Island, Japão), além de realizarem medidas da geometria de troncos e
raízes das espécies existentes. Identificaram que a hidrodinâmica pode ser simplificada para um balanço entre a declividade da superfície da água e a resistência devida à vegetação. Definiram um comprimento de escala Le = (V-Vm)/A para a vegetação do manguezal, onde V é o volume de controle, Vm é o volume ocupado pela vegetação e A é a área projetada pela vegetação. O valor de Le varia grandemente com a profundidade da água e com as espécies de mangue. A resistência ao escoamento pode ser parametrizada por um coeficiente de arrasto, que foi encontrado variando entre 0,4 e 10. Para Re > 5.104, o coeficiente de arrasto tende a convergir para um valor constante (0,4); para pequenos valores de Re (<104), o coeficiente de arrasto alcança altos valores como 10. Re foi calculado usando Le como comprimento de escala.
FURUKAWA et al. (1997) realizaram medições do escoamento em mangues laterais a Middle Creek (Cairns, Austrália), identificando baixas velocidades (picos menores que 0,2 m/s), mas com uma intensa interação com a vegetação formando uma circulação complexa, com jatos, vórtices e zonas de estagnação. Essa complexa circulação torna o escoamento dominado pela fricção, e a equação do momentum é simplificada pelo balanço entre a declividade da superfície da água e o termo de fricção. O valor do coeficiente de Manning calculado para a floresta do manguezal foi de 0,1 s.m-1/3 (cerca de 4 vezes o valor encontrado para o canal).
2.5. Propagação da Maré e Assimetria de Velocidades em Regiões
Estuarinas
A maré, ao propagar-se do oceano para regiões estuarinas, sofre distorções que podem ser representadas pelo crescimento não-linear de constituintes compostos e harmônicos dos principais constituintes da maré astronômica (SPEER & AUBREY, 1985; FRANCO, 1988). BOON (1975, apud BOON & BYRNE, 1981) notou que fase e amplitude relativas dos sub-harmônicos M4, M6 e M8 de M2, a maré semidiurna lunar, causavam diferenças na duração da enchente e da vazante da maré vertical. Isso pode ser visto nas Figuras 9 e 10, onde é feita a composição de M2 e M4 para exemplificar as diferenças de duração de enchente e vazante presentes em sistemas estuarinos. Vale ressaltar que este exemplo produz uma maré resultante completamente estacionária,
pois a freqüência de M4 é exatamente o dobro de M2, o que não é o caso para combinações da maior parte dos constituintes, cujas freqüências não são múltiplos exatos.
Na Figura 9, M2 e M4 têm um deslocamento de fase de 0°, o que origina uma maré resultante com durações de enchente e vazante iguais, mas com seus máximos e mínimos alterados, com o máximo da curva amplificado em relação ao mínimo. Na Figura 10, o deslocamento de fase é de 90°, o que torna a enchente mais longa que a vazante, o que pela conservação de massa produz correntes mais intensas na vazante, sendo esta maré conhecida como “vazante-dominante” (SPEER & AUBREY, 1985, FRIEDERICHS & AUBREY, 1988). Para o caso de um deslocamento de fase de 180°, a maré resultante terá durações de enchente e vazante iguais e com o mínimo da curva amplificado em relação ao máximo. Um deslocamento de fase de 270° torna a vazante mais longa que a enchente, o que produz correntes mais intensas na enchente, e esta maré é conhecida como “enchente-dominante”. Assim, deslocamentos de fase entre 0° e 180° produzem dominância de vazante, com a dominância mais intensa em 90°, e de 180° a 360° produzem dominância de enchente, com a dominância mais intensa em 270°.
Em qualquer destes casos, quanto maior a amplitude de M4 em relação a M2, maior será a distorção da maré resultante e mais fortemente enchente ou vazante-dominante o sistema torna-se.
Figura 9: Combinação de M2 com M4 com deslocamento de fase de 0° (adaptado de BOON & BYRNE, 1981).
Figura 10: Combinação de M2 com M4 com deslocamento de fase de 90° (adaptado de BOON & BYRNE, 1981).
Na ausência de fricção, a dominância de enchente é atribuída à distorção de uma onda progressiva não-refletida (DRONKERS, 1986). Em um estuário sem fricção onde a/h (amplitude da maré/profundidade da água) é grande, a maré pode propagar-se como uma onda de água rasa, com celeridade c = (gh)1/2, onde g é a aceleração da gravidade. Como h varia ao longo do ciclo da maré, a profundidade da água é significativamente maior na crista da maré do que na cava, assim a crista da onda tende a mover-se mais rapidamente que a cava ao longo de um estuário raso. A crista da maré aproxima-se da cava, resultando em uma enchente mais curta, uma vazante mais longa, e a ocorrência de correntes maiores durante a enchente (devido à conservação de massa). Este efeito foi notado por AIRY (1842, apud FRIEDRICHS et al. 1992).
Para muitos estuários pequenos (onde o comprimento do estuário << comprimento da onda de maré), a maior parte da maré incidente é refletida na cabeça do embaiamento (DRONKERS, 1986; DYER, 1997). Na ausência de fricção, a maré é praticamente uma onda estacionária, ligeiramente distorcida pelos termos não-lineares. Para explicar mais completamente a dominância de enchente em estuários rasos, a fricção deve ser considerada (DRONKERS, 1986; FRIEDRICHS et al., 1992).
Parte da energia da onda incidente é dissipada, assim a onda refletida é menor do que a incidente, tornando a maré uma onda parcialmente progressiva (DRONKERS, 1986). A fricção não-linear resulta em amortecimento friccional maior em águas rasas, retardando
a propagação de mudanças no nível d’água em torno da maré baixa em relação à maré alta (DRONKERS, 1986). Deste modo, o intervalo de tempo entre a baixamar na embocadura e a baixamar no interior do estuário é maior do que o intervalo de tempo entre a preamar. Com isso, no estuário tem-se uma vazante mais longa, uma enchente mais curta e maiores velocidades durante a enchente.
Estuários com canais relativamente fundos e grande armazenamento de água entre-marés usualmente apresentam dominância de vazante (BOON & BYRNE, 1981; SPEER & AUBREY, 1985; DRONKERS, 1986), o que tem sido atribuído a diferenças no escoamento em torno da preamar em relação ao escoamento em torno da baixamar. Em estuários onde Vs/Vc (volume de armazenamento entre-marés/volume de canais) é grande em relação a a/h, baixas velocidades em pântanos e baixios entre-marés fazem com que a maré alta propague-se mais lentamente do que a maré baixa. Na maré baixa, estes pântanos e baixios estão vazios, enquanto os canais estão relativamente profundos, possibilitando uma troca de água mais rápida. A demora na mudança para vazante nos baixios causa uma vazante relativamente mais curta, uma enchente mais longa, e correntes maiores durante a vazante.
FRIEDRICHS & AUBREY (1988) estudaram a distorção da maré em estuários rasos bem misturados e parametrizaram seus resultados para explicar a dominância das correntes, utilizando principalmente dados de maré, por serem estes os mais comumente encontrados.
Dentro do estuário, a altura da superfície do mar distorcida, A, e a velocidade da maré, V, podem ser modeladas pela superposição de M2 e M4:
A = aM2 cos (ω t – θM2) + aM4 cos (ω t – θM4) (1)
V = vM2 cos (ω t – φM2) + vM4 cos (ω t – φM4) (2)
Onde t é o tempo, ω é a freqüência da maré, a é a amplitude da altura de maré, v é a amplitude da velocidade de maré, θ é a fase da altura de maré e φ é a fase da velocidade de maré. A fase da superfície do mar de M4 relativa a M2 foi definida como:
Uma medida da distorção não-linear, a razão da amplitude da superfície do mar de M4 para M2 foi definida como:
M4/M2 = aM4/aM2 (4)
Para a velocidade da maré, estes parâmetros são definidos como 2φM2 – φM4 e vM4/vM2.
Estes autores explicam a escolha de M2 e M4 para esta análise por ser M2 o constituinte astronômico dominante ao longo da maior parte das linhas de costa do mundo, e por M4, o primeiro harmônico de M2, ser o mais significativo harmônico de baixo-fundo formado nestes estuários bem-misturados.
Os resultados de um modelo 1-D, obtidos com a geometria de 84 sistemas estuarinos linearizados (nos quais as planícies de maré ficavam completamente secas na maré baixa), foram utilizados para determinar relações entre a geometria dos sistemas e a maré. Os autores concluíram que a distorção não-linear da maré é devida a dois efeitos principais:
1 – a interação friccional entre a maré e o fundo dos canais (refletida pela relação a/h = amplitude da maré/profundidade do canal) causa enchentes relativamente mais curtas; 2 – armazenamento marés (medido por Vs/Vc = volume do armazenamento entre-marés/volume do canal no nível médio do mar - NMM) causa vazantes relativamente mais curtas.
Analogamente ao que foi visto nas Figuras 9 e 10 acima, a definição destas relações de fase levam às seguintes situações de dominância da maré:
- para a fase relativa da superfície d’água 2M2-M4, de 0° a 180° é enchente-dominante e de 180° a 360° é vazante-dominante;
- para a fase relativa da velocidade da maré 2M2-M4, de –90° a 90° é enchente-dominante e de 90° a 270° é vazante-enchente-dominante;
Os resultados deste trabalho foram sistematizados em gráficos que sintetizam 84 sistemas modelados, que correlacionam a/h e Vs/Vc com a razão de amplitude e fase relativa da velocidade da maré e com a razão de amplitude e fase relativa da superfície
do mar como os mostrados nas Figuras 11 e 12. Foram feitas comparações da análise da maré medida em 26 estuários com os resultados modelados e a correlação foi considerada boa.
Figura 11: (a) Gráfico correlacionando a/h e Vs/Vc para isolinhas da razão de amplitude da superfície d’água M4/M2; (b) gráfico correlacionando a/h e Vs/Vc para isolinhas da fase relativa da superfície d’água 2M2-M4. Adaptados de (FRIEDRICHS & AUBREY, 1988).
Figura 12: (a) Gráfico correlacionando a/h e Vs/Vc para isolinhas da razão de amplitude da velocidade média na seção transversal M4/M2; (b) gráfico correlacionando a/h e Vs/Vc para isolinhas da fase relativa da velocidade média na seção transversal 2M2-M4. Adaptados de (FRIEDRICHS & AUBREY, 1988).
Além do importante trabalho de FRIEDRICHS & AUBREY (1988), outros a seguir também analisaram o comportamento da assimetria da maré.
BOON & BYRNE (1981) utilizam modelagem numérica para estudar a influência da hipsometria de bacias costeiras ligadas ao mar por canais de maré, além da configuração geométrica destes canais, na hidrodinâmica e no transporte de sedimentos. Foram utilizados os constituintes M2 e M4 para explicar a dominância de correntes.
AUBREY & SPEER (1985) analisaram a propagação da maré medida em sistemas estuarinos rasos conectados ao oceano por canais estreitos. Verificaram a importância de sub-harmônicos e harmônicos compostos nestes estuários, onde o crescimento de sub-harmônicos de M2 (principalmente M4) dominam a assinatura não-linear do estuário.
SPEER & AUBREY (1985) utilizaram um modelo 1-D que foi aplicado a um estuário hipotético linearizado para estudar a influência da geometria de sistemas estuarinos rasos conectados ao oceano por canais estreitos na propagação e assimetria da maré. Identificaram a importância de a/h (amplitude da maré/profundidade média) na assimetria de marés, onde estuários mais rasos (a/h > 0,3) geralmente são caracterizados por vazantes mais longas e correntes de enchente mais intensas, a menos que existam grandes baixios de maré. Sistemas mais profundos (a/h~0,1 - 0,2) com baixios de maré tendem a ter enchentes mais longas e correntes de vazante mais intensas.
DRONKERS (1986) discute as implicações da assimetria da maré para a morfologia estuarina. Indica, entre outras situações, os estuários pequenos com grandes planícies de maré onde as velocidades máximas seriam no fim da vazante, explicando que a onda de maré propaga-se mais rapidamente nos canais do que nas planícies de maré, portanto o abaixamento do nível d’água se dá primeiro nos canais e depois na planície inundável, o que leva a uma declividade da linha d’água e correntes fortes durante o último estágio da vazante.
LINCOLN & FITZGERALD (1988) identificaram um fator que contribui na duração da maré e na assimetria de correntes em canais de maré muito rasos. Estes autores apontam que, quando a profundidade no NMM do canal é menor do que a amplitude média da
maré oceânica, o truncamento da parte mais baixa da maré oceânica pela batimetria pode encurtar a enchente e aumentar a vazante.
FRIEDRICHS et al. (1992) apontaram a dominância da fricção na equação do momentum, em sistemas estuarinos bem misturados, com razão de amplitude da maré/profundidade média ~0,1 e velocidades de maré ~0,5 m/s. Através de tratamentos analíticos e numéricos, que foram comparados com medições, identificaram que:
a – grandes mudanças na profundidade média do canal durante o ciclo de maré estão associadas com canais principais enchente-dominantes
b – grandes mudanças na largura total durante o ciclo de maré resultam em canais principais vazante-dominantes
c – sistemas com canais principais enchente-dominantes tendem a ter embocaduras vazante-dominantes
d – sistemas com canais principais vazante-dominantes tendem a ter áreas entre-marés enchente-dominantes
e – seções transversais de embocaduras são freqüentemente compostas de regiões distintas, partes profundas que são vazante-dominantes e partes rasas que são enchente-dominantes.
LESSA & MASSELINK (1995) realizaram medições em um pequeno estuário com manguezais e identificaram que, apesar de apresentar dominância de enchente, durante as maiores marés de sizígia uma grande quantidade de água era aportada para os manguezais, gerando correntes de vazante mais intensas.
RANASINGHE & PATTIARATCHI (2000) discutem a assimetria da maré em sistemas costeiros com marés diurnas. Observaram que nestes sistemas a assimetria não é ocasionada por efeitos não-lineares como mostrado outros autores em sistemas semi-diurnos, mas pela assimetria existente na maré oceânica incidente. Assim, a ocorrência de dominância de enchente/vazante em sistemas diurnos, onde não existem mecanismos não-lineares de distorção da maré, pode ser prevista usando-se as elevações das marés oceânicas. O grau de assimetria, entretanto, não pode ser determinado usando-se as elevações das marés oceânicas. Estes autores mostram que a dominância de enchente/vazante nestes sistemas varia em períodos curtos, de alguns dias.
LE HIR et al. (2000) discutem os diferentes forçantes que controlam a hidrodinâmica em planícies de maré. Apresentam medições realizadas em Brouage (França) onde há uma inversão da dominância das correntes ao longo do período monitorado, e apontam que essa mudança é devida à composição harmônica da maré.
BLANTON et al. (2002) analisam a propagação da maré e a assimetria de correntes em três sistemas costeiros: um estuário de planície costeira, um longo canal de maré e um canal lateral de um estuário. Avaliaram o desenvolvimento de M4 e M6 e as mudanças nos diagramas de velocidade-nível d’água em função de quando se dá o enchimento de áreas entre-marés.
KANG & JUN (2003) avaliaram a dominância de enchente e vazante na costa da Coréia. Utilizaram um modelo 2D para modelar a propagação da maré em dois estuários, avaliando amplitude e fase modeladas ao longo do comprimento dos estuários. São analisadas as componentes M2 e M4, e as conclusões sobre a dominância são retiradas das medições de maré, sem análise de medições de corrente. Concluíram que a dominância de enchente em um dos estuários é devida principalmente à dissipação de energia pela fricção, enquanto a dominância de vazante no outro estuário é devida principalmente às vastas planícies de maré.
BRYCE et al. (2003) analisam medições realizadas em um canal de mangue (Cocoa Creek, Austrália), indicando que a assimetria das correntes medidas não pode ser explicada apenas com a/h e Vs/Vc, pois a presença de assimetria na maré incidente na região também tem um papel importante. Devido às características do escoamento na região, dividiram as marés que inundam o mangue em quatro estágios, caracterizados pelas velocidades: F1 (o pico da velocidade de enchente com escoamento só dentro do
canal), Fmin (mínima velocidade de enchente com as margens plenas), F2 (o pico da
velocidade de enchente com margens plenas) e Emax (máxima velocidade da vazante com escoamento só no canal).
2.6. Modelagem do Escoamento em Manguezais
Nesta seção será feita a descrição dos modelos encontrados na literatura para a modelagem do escoamento em regiões de manguezal, apresentando as estratégias que têm sido utilizadas para solucionar as dificuldades da modelagem do escoamento nestas regiões. São indicadas as comparações que foram encontradas na literatura de resultados de modelos com dados medidos.
O trabalho pioneiro encontrado na literatura que realizou a modelagem do escoamento em regiões de manguezais é o de WOLANSKI et al. (1980). Estes autores apresentaram dois modelos acoplados: um modelo de diferenças finitas, implícito e unidimensional para simular o escoamento nos canais baseado nas equações completas do movimento do fluido; e um modelo de diferenças finitas implícito bidimensional para escoamento no bosque do manguezal baseado nas equações do movimento onde os termos de inércia foram desprezados. Os modelos foram aplicados a uma região de manguezal drenada pelo canal Coral Creek, Austrália. As equações do modelo unidimensional então apresentado são: (5) q x Q t A = ∂ ∂ + ∂ ∂ (6) 0 ) ( ) ( 2 = ∆ + + ∂ + ∂ + ∂ + ∂ + ∂ ∂ gASf x z y gA x A Q t Q
onde x é a distância ao longo do canal orientada para jusante, t é o tempo, Q é a vazão, y é a profundidade, A é a seção transversal do canal, g é a aceleração da gravidade, z é a elevação do fundo do canal, q é a taxa de troca lateral entre o canal e o bosque de mangue ou uma ramificação do canal. Sf é a declividade da linha d’água, em unidades métricas: (7) 3 10 3 4 2 A QB Q n Sf ⎟⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ =
O termo ∆ na equação (6) foi introduzido por propósitos de estabilidade numérica, e caracteriza a transferência de momentum devido a ramificações dos canais e a troca lateral de água. Não foi informado o coeficiente de Manning utilizado no modelo unidimensional.
Para o modelo bidimensional utilizado, os efeitos de inércia foram desprezados no bosque de mangue, que foi dividido em um número de células selecionadas para ajustarem-se aos contornos do terreno e interceptarem os canais do manguezal nos locais das seções transversais utilizadas no modelo unidimensional. As equações do modelo bidimensional então apresentado são:
(8) qdx Q t V j ij i = − ∂ ∂
∑
onde Qij é obtido a partir da equação que se admitiu descrever o escoamento no interior
do bosque de mangue, em analogia aos trabalhos de PETRYK & BOSMAJAN (1975) sobre escoamento através de vegetação:
(
)
(9) 3 4 2 2 ij ij ij ij ij ij R A Q Q n Sf =Nestas equações, Vi é o volume de água na célula i, Qij é a vazão da célula i para a
célula j, q é a taxa de troca lateral da célula i com o canal (ao longo das células adjacentes aos canais, com comprimento dx), Aij e Rij são a área e o raio hidráulico da
seção transversal entre a célula i e a célula j, Sfij é a declividade da superfície livre e nij o
coeficiente de Manning.
A determinação do valor do coeficiente de Manning no bosque do manguezal foi feita medindo-se a declividade da superfície d’água, as correntes e profundidades durante a maré em 25/04/79 em Coral Creek e aplicando-se a equação (9). Como a largura do manguezal onde isto foi feito era pequena (150 m) para medidas acuradas da declividade da linha d’água, os autores reportam o resultado deste experimento como n variando numa faixa de 0,2 a 0,4 s.m-1/3.
Estes autores também utilizaram a teoria de escoamento através de vegetação para estimar o valor de n. As raízes e troncos da vegetação do manguezal produzem um obstáculo ao escoamento que resulta numa força de arrasto que, para grandes densidades de vegetação, é muito superior ao atrito no fundo, assim utilizou-se (PETRYK & BOSMAJAN, 1975):
(10) 3 4 2 1 y AL A C n i d ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ =
onde y é a profundidade, Cd é um coeficiente de arrasto próximo da unidade e Ai/A é a
fração da seção transversal do escoamento que é bloqueada pela vegetação por unidade de comprimento do escoamento L.
Por causa da geometria do sistema radicular do mangue, encontrou-se que Ai/AL
diminui rapidamente com a altura; baseado nisto e na equação (10) um valor médio de n = 0,25 s.m-1/3 independente da profundidade foi obtido. Foram mostradas comparações de velocidades medidas e velocidades médias computadas em: duas seções de monitoramento localizadas nos canais, onde as velocidades foram medidas a 1,5 m abaixo da superfície, durante 2 períodos de maré (setembro de 1979); na boca do canal principal, durante 1,5 período de maré (março de 1979). A concordância dos dados medidos e computados foram consideradas boas.
WOLANSKI et al. (1990) modelaram o escoamento em um grande canal (Hinchinbrook Channel, com 109 km2 de espelho d’água) que drena uma extensa área de manguezal (164 km2) na Austrália. Utilizaram um modelo unidimensional um pouco diferente do utilizado por WOLANSKI et al. (1980), cujas equações básicas são:
(11) 0 = ∂ ∂ + ∂ ∂ x Q t A (12) 0 ) ( ) ( 2 = + ∂ + ∂ + ∂ + ∂ + ∂ ∂ Sf gA x z y gA x A Q t Q s s s
onde x é a distância ao longo do canal orientada para jusante, t é o tempo, Q é a vazão, y é a profundidade, A é a seção transversal de todo o escoamento (bosque do mangue + canal), g é a aceleração da gravidade, z é a elevação do fundo do canal, As é a área da
seção transversal do canal e Sf é a declividade da linha d’água, calculada utilizando-se um coeficiente de Manning constante de 0,025 s.m-1/3.
São mostradas velocidades medidas e computadas para três locais de medição ao longo do canal, dois locais mais próximos das entradas e um local mais interno, durante 3 períodos de maré em fevereiro de 1989. A concordância entre os valores medidos e computados foi considerada boa, sendo melhor nos pontos de medição mais próximos das entradas.
O escoamento numa porção norte do Hinchinbrook Channel foi modelada usando o modelo apresentado por WOLANSKI et al. (1980), agora chamado de 2DSWAMP, onde se considerou o canal e o bosque de mangue conjuntamente, resolvendo-se a equação da continuidade para uma célula i:
(13)
∑
= ∂ ∂ j ij i Q t Vonde Vi é o volume de água na célula i, Qij é a vazão da célula i para a célula j e t é o
tempo.
A equação de momentum foi simplificada assumindo-se um balanço entre a fricção e a declividade da superfície livre conforme a equação (9). O coeficiente de Manning foi tomado como 0,025 s.m-1/3 na região do canal e 0,2 s.m-1/3 no mangue. O valor admitido para o bosque de mangue foi tomado por analogia ao trabalho de WOLANSKI et al. (1980). São mostrados mapas sinóticos das velocidades obtidas com o modelo e comenta-se que os resultados parecem realísticos, apesar de não serem confrontados com medições.
Foi realizada a modelagem deste mesmo domínio com um modelo de diferenças finitas bidimensional integrado na vertical chamado HIDRO (FALCONER et al., 1986, apud WOLANSKI et al., 1990), que resolve implicitamente as equações completas da continuidade e momentum. Este modelo não calcula as velocidades na área do bosque de mangue, admitindo-a como uma área de armazenamento lateral. São mostrados mapas sinóticos das velocidades obtidas com o modelo e comenta-se que os resultados parecem realísticos, apesar de não serem confrontados com medições.
WATTAYAKORN et al. (1990) realizaram a modelagem do escoamento no estuário de Klong Ngao, Tailândia, com 7,5 km de comprimento e que drena uma área de 11,5 km2 de bosque de mangue. Foi empregado o mesmo modelo unidimensional utilizado em WOLANSKI et al. (1990), mas não foi indicado o coeficiente de Manning usado. São apresentadas as séries temporais de velocidades computadas e medidas em um ponto de monitoramento situado na região central do canal, indicando-se que a comparação é encorajadora. Os dados correspondem ao período de 7 às 19 horas do dia 1 de agosto de 1988.
FURUKAWA et al. (1997) utilizaram o modelo 2DSWAMP para simular as correntes numa área de manguezal de aproximadamente 150 m de largura adjacente ao canal Middle Creek, Austrália. O valor do coeficiente de Manning admitido foi de 0,1 s.m-1/3. São apresentados valores de velocidades medidas e computadas para um local situado no bosque de mangue a 7 m da margem do canal. Os dados medidos compreendem um período de 8 às 11 horas do dia 3 de dezembro de 1994, e os valores computados ajustam-se bem aos medidos.
Em todos os trabalhos envolvendo modelagem de manguezais encontrados na literatura apresentados até este ponto considerou-se a força de arrasto produzida pela vegetação do manguezal parametrizada pelo coeficiente de Manning. Estes trabalhos apresentam comparações de resultados de modelagens com medições em sua maioria para períodos curtos, sem uma análise mais abrangente da influência do manguezal na hidrodinâmica de regiões estuarinas com manguezais.
WU et al. (2001) introduziram uma nova abordagem para a modelagem da hidrodinâmica em manguezais, realizando modificações no modelo DIVAST (FALCONER, 1976; FALCONER, 1993; discutido em detalhes no item 3.3). Estes autores incluíram a diminuição na seção do escoamento pela existência das árvores do manguezal (efeito de bloqueio) através de uma “porosidade”, além de incluírem uma força de arrasto induzida pela presença das árvores do manguezal. As equações da continuidade e do momentum resultantes no plano horizontal são:
0 = ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ y q x q t y x ζ θ (14)
⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ∂ ∂ + ∂ ∂ + − − + ∂ ∂ − = ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ∂ ∂ + ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ∂ ∂ + ∂ ∂ 2 2 2 2 2 y U x U H F x gH fq H q q y H q x t q xd xb xw y y x x x ε ρ ρ τ θ ρ τ θ ζ (15) ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ∂ ∂ + ∂ ∂ + − − + ∂ ∂ − = ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ∂ ∂ + ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ∂ ∂ + ∂ ∂ 2 2 2 2 2 y V x V H F y gH fq H q y H q q x t q yd yb yw x y y x y ε ρ ρ τ θ ρ τ θ ζ (16) onde: ) ( UH qx = ) ( VH qy =
vazões por unidade de largura integradas na vertical nas direções x e y (m3/s/m)
V
U , componentes de velocidade médios na profundidade nas direções x e y (m/s)
f parâmetro de Coriolis devido à rotação da Terra (= 2 ω sen φ, onde ω é velocidade de rotação angular da Terra e φ é o ângulo da latitude)
g aceleração gravitacional (m/s2)
H
profundidade total da água = η + (m) hη elevação da superfície da água em relação ao datum (m) h profundidade da água abaixo do datum (m)
ρ massa específica do fluido (kg/m3)
yw xw τ
τ , componentes da tensão cisalhante do vento nas direções x e y
yb xb τ
τ , componentes da tensão cisalhante no fundo nas direções x e y
ε viscosidade turbulenta média na profundidade (m2/s)
yd xd F
F , componentes da força de arrasto induzidas pelas árvores de mangue por unidade de área nas direções x e y
θ porosidade do mangue
y
x, coordenadas (m)
As forças de arrasto induzidas pelo mangue são expressas por: t y x x t D xd H q q q D C F ρ ρ 2 2 2 1 + = y x y t t D yd H q q q D C F ρ ρ 2 2 2 1 + = (17) onde: D
C coeficiente de arrasto, com valor típico de 1,2 para um cilindro circular
t
D
diâmetro de uma árvore típicat
ρ número de árvores por unidade de área
O efeito de bloqueio no escoamento pelas árvores do mangue foi levado em conta pela introdução da porosidade θ do mangue:
t t D ρ π θ 2 4 1− = (18)
Foram apresentados resultados numéricos da aplicação do modelo a um caso hipotético, e também resultados numéricos de uma modelagem do estuário de Merbok (Malásia). Não foram feitas comparações com resultados medidos. Os resultados apresentados indicaram uma redução das velocidades na região da floresta do manguezal e um correspondente aumento nas velocidades no canal principal com a inclusão do bloqueio e da força de arrasto.
Recentemente, STRUVE et al. (2003) realizaram experimentos em um canal de ensaios onde representaram árvores de manguezal por pequenos cilindros. Foi utilizado o modelo apresentado em WU et al. (2001) para estudar os efeitos na hidrodinâmica, comparando os resultados obtidos com o modelo com os resultados experimentais medidos no canal, considerando no modelo a situação com o efeito da força de arraste e com o efeito da porosidade. Foi investigada principalmente a calibração do coeficiente de arrasto, ao invés de ser tomado como um valor fixo de aproximadamente 1, derivado da teoria de escoamento em torno de cilindros. Os resultados indicaram que o modelo reproduziu bem os efeitos das árvores modeladas no nível d’água e velocidade no canal de ensaios. Além disso, uma calibração do coeficiente de arrasto melhora o ajuste entre
os resultados do modelo e os dados medidos. Os autores indicam que é necessária uma calibração simultânea do termo de turbulência e do termo de arraste do modelo para mais avanços na modelagem e que a aplicabilidade dos coeficientes de arrasto calibrados sob condições de campo devem ser testadas em estudos comparativos utilizando dados detalhados de campo.
2.7. Trabalhos Anteriores na Região de Estudo
RIGO & SARMENTO (1993) detectaram a presença de uma região no Canal da Passagem onde se dá o encontro da maré quando esta se propaga no entorno da Ilha de Vitória, denominada então por “Tombo da Maré” (Figura 4, nas proximidades da UFES). Segundo estes autores, durante a maré enchente, a região indicada na Figura 4 tem velocidades nulas, e em suas proximidades o escoamento se dirige para esta região vindo dos dois lados do canal, promovendo o enchimento do manguezal. No início da maré vazante o escoamento se inverte e esta região de velocidade nula caminha para o norte, até as proximidades da desembocadura do rio Santa Maria, fazendo com que o escoamento em todo o Canal da Passagem seja em direção ao sul.
Após um período do início da vazante esta região de velocidades nulas faz o caminho inverso retornando aproximadamente para a mesma região onde se encontrava durante a enchente. Até o fim da vazante esta região permanece atuando como divisor entre os escoamentos que se dirigem para o sul e para o norte, promovendo o esvaziamento do manguezal. Este ciclo repete-se a cada maré, com a posição da região de velocidades nulas variando em função da amplitude da maré.
DONATELLI (1998), utilizando um modelo computacional para todo o entorno da Ilha de Vitória e Baía do Espírito Santo, que não contempla o manguezal, não conseguiu bons resultados nas simulações feitas para a região próxima ao manguezal e sugere que se inclua a influência do manguezal.
ROCHA (2000) utilizou o modelo DIVAST para simular a hidrodinâmica e a qualidade da água na Baía do Espírito Santo, com o domínio do modelo terminando no início do Canal da Passagem (próximo à Praia de Camburi) e no início da Baía de Vitória.
CASTRO (2001) estudou a pluma do Canal da Passagem que atinge a Baía do Espírito Santo, utilizando modelagem computacional, medições de maré e correntes, além de trajetórias de derivadores.
BARROS FILHO (2002) aplicou o modelo DIVAST para a região do entorno da Ilha de Vitória, sem incluir a influência do manguezal. Os registros de velocidade eram curtos na região mais próxima ao manguezal, e os resultados do modelo foram confrontados com as medições feitas na Terceira Ponte (Figura 4) em 1999. As velocidades de enchente foram mais bem reproduzidas pelo modelo que as de vazante.
3. Metodologia
Neste capítulo serão descritas as metodologias utilizadas para os levantamentos de campo e para os trabalhos de modelagem desenvolvidos.
3.1. Mapeamento da Região de Estudo
No início do desenvolvimento deste trabalho, não se dispunha de dados geométricos (geometria de canais e batimetria de canais e manguezal) ou hidrodinâmicos suficientes em uma região estuarina com manguezais para os estudos pretendidos. Foram obtidos recursos com o FACITEC (Fundo de Apoio à Ciência e Tecnologia da Prefeitura de Vitória), através de projetos que foram selecionados nos editais de 1997, 1998 e 1999 para a realização dos levantamentos necessários para a região (TEIXEIRA, 2000; RIGO, 2001; TEIXEIRA, 2002). Além disso, o Grupo de Estudos e Ações em Recursos Hídricos (GEARH) da UFES apoiou todos os trabalhos de levantamento e tratamento de dados, inclusive custeando integralmente os levantamentos de dados realizados em 2002.
Mapa planimétrico:
Foi produzido o mapeamento dos canais na região interna da Ilha de Vitória, da Ponte de Camburi até a Ponte Florentino Avidos (Cinco Pontes), inclusive a desembocadura do rio Santa Maria da Vitória, e do manguezal desde o Campus da UFES até a desembocadura do rio Bubu (Figura 4).
O mapa planimétrico foi elaborado utilizando-se a base cartográfica do Município de Vitória e fotos aéreas de um aerolevantamento executado pela Empresa Maplan para o Serviço de Patrimônio da União em 1997. O contorno da linha de costa foi obtido da base cartográfica onde este contorno existia. Na região do manguezal nas proximidades do rio Santa Maria a linha de costa foi obtida com a digitalização das fotos aéreas e geo-referenciamento de pontos notáveis com um sistema DGPS (Trimble Pro-XR) para
