Avaliação do transporte sedimentar na bacia do rio Lima baseada em ferramentas de modelação

Nelson Carvalho Dantas de Brito Costa

Avaliação do transporte sedimentar

na bacia do rio Lima baseada em

ferramentas de modelação

Nelson Carvalho Dantas de Brito Costa

A

valiação do tr

anspor

te sediment

ar na bacia do

rio Lima baseada em f

er

rament

as de modelação

Universidade do Minho

Escola de Engenharia

Dissertação de Mestrado

Ciclo de Estudos Integrados Conducentes ao

Grau de Mestre em Engenharia Civil

Trabalho efectuado sob a orientação do

Professor Doutor José Luís da Silva Pinho

Nelson Carvalho Dantas de Brito Costa

Avaliação do transporte sedimentar

na bacia do rio Lima baseada em

ferramentas de modelação

Universidade do Minho

Escola de Engenharia

AGRADECIMENTOS

Quero agradecer a todas as pessoas que me ajudaram no meu percurso educativo, por todo o apoio, paciência e dedicação. Com um atenção especial a:

• À minha namorada que me acompanha há 7 anos, sendo o meu braço direito e fonte de motivação inesgotável, pela sua força, dedicação e capacidade de atingir objetivos a todo custo.

• Aos meus pais e irmãos por me garantirem uns alicerces fortes e robustos que aguentaram durante todo o percurso sem nunca vacilar. E por serem um exemplo para mim.

• Um forte agradecimento ao meu orientador da Dissertação, o Professor Doutor José Luís Pinho, pela motivação, orientação e imensa disponibilidade que demonstrou para comigo durante todo o processo de trabalho. E pela constante partilha de informação e sugestões que culminou neste documento.

• Um especial abraço de agradecimento aos meus amigos, em particular ao, Ricardo Pinheiro, Carlos Barros, Isaías Rodrigues e Cláudio Carneiro, por estarem sempre presentes para ouvir, falar, motivar e trabalhar nestes 5 duros anos de Universidade. • Por último, o agradecimento a entidade que me acolheu e ensinou durante este período,

Universidade do Minho, por as condições e carinho que me propiciou. Em especial um agradecimento ao Grupo de Hidráulica do Departamento de Engenharia Civil da Universidade do Minho, presente neste ultimo ano.

RESUMO

As zonas costeiras apresentam uma importância relevante quer pelas atividades económicas que dela dependem quer pela sua importância para a realização de atividades recreativas. Atendendo à acentuada dinâmica e complexidade dos escoamentos que lhe são característicos, é de extrema importância simular e prever cenários do seu funcionamento que nos ajudem a preservar e a usufruir dos serviços económicos e ecológicos que as massas de águas costeiras prestam.

Neste trabalho procede-se à análise e simulação da hidrodinâmica e transporte sedimentar no estuário do Rio Lima, cuja dinâmica sofreu as alterações decorrentes da construção das barragens de Lindoso e Touvedo e das estruturas marítimas que asseguram as condições de navegabilidade na foz. Verificaram-se alterações em termos de dinâmica sedimentar, que obrigarão a investimentos avultados caso se pretenda repor o trânsito sedimentar que alimenta as praias situadas na zona costeira adjacente. Procedeu-se à criação de um modelo tridimensional do estuário que se estende para jusante da foz e montante do açude de Ponte de Lima. O modelo foi implementado no software DElf3D, desenvolvido pela WL-Delft Hydraulics, tendo sido simulados diferentes cenários definidos a partir do caudal fluvial, tipo de maré e características dos sedimentos transportados. O modelo foi calibrado com base em resultados da campanha de observação dos níveis de maré em quatro locais distintos no estuário. Pode-se concluir que os padrões hidrodinâmicos e o transporte sedimentar são fortemente influenciados pelo tipo de maré e pelo caudal fluvial, tendo sido identificadas as zonas com maior capacidade de transporte, e os padrões de deposição/erosão na embocadura. O processo de assoreamento na embocadura foi evidenciado, mostrando-se que é durante os períodos de cheia que se verificam as alterações mais significativas nesta zona. Denota se sucessivas áreas de erosão e deposição ao longo da parte intermédia do estuário, e um arrastamento dos mesmos no sentido de jusante aquando o aumento do caudal. Estas ocorrências podem ser avistadas no próprio rio com a maré baixa.

Palavras-chave

Hidrodinâmica, Dinâmica sedimentar, Modelação, Erosão e sedimentação, estuário do rio Lima e Delft3D

ABSTRACT

The costal areas show a huge importance not only for economic activities but also for its importance to develop recreational activities. Given the strong dynamics and complexity of the flows´ characteristics, it is of crucial importance to simulate and predict scenarios of their function that will help us to preserve and enjoy the economic and ecological services that the water bodies render.

This work precedes to an analysis and simulation of the hydrodynamic and sediment transport in the Lima´s estuary, whose dynamic suffered deep changes due to the construction of two dams, Lindoso and Touvedo, and offshore structures that secure the navigability of the river mouth. During the years changes were observed in the sedimentary dynamics, this led to heavy investments if we intend to restore the sedimentary traffic that feeds the adjacent beaches. A tridimensional model of the estuary was created between the downstream of the river mouth to the upstream of the dam near Ponte de Lima. The model was implemented on Delf3D software, developed by WL-Delft Hydraulics, and different scenarios were simulated from the river´s flow, the type of tide and properties of the transported sediments. The model was calibrated based on the water level results of an observation campaign in four distinct places in the estuary. In sum, we can conclude that hydrodynamic patterns and sediment transport were strongly influenced by the tidal type and rivers´ flow, having been identified the areas with higher transport capacity and the deposit/erosion patterns at the river´s mouth. The silting process on the river´s mouth was evident and showed that it was during the high floods that the most important alterations occurred on this area. Multiple and consecutive erosion and deposit areas can be identified along the estuary mid-section as well as a dragging downstream when there is an increase on the river flow. These occurrences can be seen during low tide periods.

Key-words:

Hydrodynamics, sediment dynamic, modulation, erosion, sedimentation, Lima river estuary and Delf3D

Indice de Texto

CAPÍTULO 2. HIDRODINÂMICA E DINÂMICA SEDIMENTAR 5

2.1.MARÉS 5

2.2.VENTO 6

2.3.EFEITO DE CORIOLLIS 6

2.4.CORRENTES TERMOHALINAS E ESTRATIFICAÇÃO 7

2.5.ONDAS 8

2.6.PROCESSOS HIDROSSEDIMENTOLÓGICOS 8

2.6.1. Produção de sedimento 8

2.6.2. Transporte de sedimentos 9

2.6.3. Deposição de sedimentos 10

2.6.4. Formulações matemáticas utilizadas – hidrodinâmica 11

2.6.4.1. Equações de Navier-Stokes 11

2.6.4.2. Equações de Reynolds 12

2.6.5. Formulações matemáticas utilizadas – Processos sedimentológicos 13

CAPÍTULO 3. CASO ESTUDO 17

3.1.BACIA HIDROGRÁFICA E ESTUÁRIO DO RIO LIMA 17

3.2.MODELO TRIDIMENSIONAL DO ESTUÁRIO DO RIO LIMA 20

3.2.1. Batimetria 24

3.3.CONDIÇÕES FRONTEIRA 25

3.5.TRABALHO DE CAMPO 28

3.6.CALIBRAÇÃO DO MODELO 31

3.6.1. Resultados da calibração 32

CAPÍTULO 4. RESULTADOS E DISCUSÃO 35

4.1.CENÁRIOS DE MODELAÇÃO 35

4.2.ANÁLISE HIDRODINÂMICA 37

4.2.1. Elevação da superfície livre 37

4.2.2. Velocidade das correntes 38

4.3.ANALISE MORFODINÂMICA 43

4.3.1. Comparação do modelo 2D e 3D 44

4.3.2. Influência da maré 48

4.3.2.1. Erosão / sedimentação 48

4.3.2.2. Transporte potencial 52

4.3.3. Influência do caudal fluvial 53

4.3.3.1. Erosão / sedimentação 53

4.3.3.2. Transporte potencial 57

4.3.4. Tendências morfodinâmicas futuras 60

CAPÍTULO 5. CONCLUSÕES E DESENVOLVIMENTOS FUTUROS 63

5.1.CONCLUSÕES 63

5.1.1. Conclusões sobre a hidrodinâmica 65

5.1.2. Conclusões sobre dinâmica sedimentar 65

DESENVOLVIMENTOS FUTUROS 67

AS PRIMEIRAS SUGESTÕES PRENDEM-SE COM PROBLEMAS QUE SURGIRAM NA ELABORAÇÃO DESTE DOCUMENTO: 67

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 69

ANEXOS 73

5.2.ANEXO 1–ANALISE DO CAUDAL FLUVIAL DO RIO LIMA 73

5.3.ANEXO 2-NÍVEL DE SUPERFÍCIE COLOCADO NA FRONTEIRA DE JUSANTE 73

Indice de Tabelas

Tabela 1 - Valores médios anuais da maré em Viana do Castelo, PRONAM (2006) ... 19

Tabela 2 - Nível de Maré utilizado ... 32

Tabela 3 - Cenário de simulação ... 36

Tabela 4 - Métricas para comparação dos modelos 2D e 3D ... 48

Tabela 5 - Métricas para comparação dos modelos 2D e 3D na foz de Viana do Castelo ... 48

Indice de Figuras

Figura 2 - Efeito Coriollis (Gomes, 2004) ... 7

Figura 3 - Gráfico ilustrativo da variação da concentração dos diferentes tipos de sedimentos (Bartelli, 2012) ... 10

Figura 4 - Esquema ilustrativo da deposição dos sedimentos (Oberrecht,2004)... 11

Figura 5 - Localização do Rio Lima e das duas barragens em território nacional (Google Earth, 2015) ... 17

Figura 6 - Embocadura do Rio Lima (Google Earth, 2015) ... 18

Figura 7 - Barragens do Rio Lima (Barragens de Portugal - apambiente (2015)) ... 19

Figura 8 - Contornos do estuário do Rio Lima utilizados na construção da grelha (modificada, Google Earth, 2015) ... 20

Figura 9 – Ambiente Delf3D linhas de apoio - splines... 21

Figura 10 - Diferentes grelhas geradas no programa RGFGRID ... 22

Figura 11 - Refinamento da grelha ... 23

Figura 12 - Grelha final ... 23

Figura 13 - Obras marítimas na foz Google Earth (esquerda) e no Deld3D (direita) ... 24

Figura 14 - Batimetria final importada para o ambiente Delf3D ... 25

Figura 15 - Fronteiras abertas do modelo ... 26

Figura 16 - Resultados teste de sensibilidade coeficiente de rugosidade de Manning ... 27

Figura 17 - Resultados teste de sensibilidade coeficiente de viscosidade turbulenta horizontal ... 27

Figura 18 - Sonda ... 29

Figura 19 - Equipamento DGPS ... 29

Figura 20 - Localização dos pontos de observação ... 29

Figura 22 - Sonda amarrada a estrutura existente ... 30

Figura 23 - Calibração ponto de observação de Lanheses 1 ... 33

Figura 24 - Calibração ponto de observação de Lanheses 2 ... 33

Figura 25 - Calibração ponto de observação de Vila Mou ... 34

Figura 26 - Calibração ponto de observação de Cardielos... 34

Figura 27 - Profundidade da água para a enchente de maré viva para o caudal de 38 / (superior) e 3200 / (inferior). ... 38

Figura 28 - Módulo das velocidades da corrente na vazante de maré viva com caudal máximo simulado (cenário 5)... 39

Figura 29 - Perfil longitudinal de velocidades no instante da vazante máxima em maré viva para os cenários: 2 - 38 / ; 3 - 400 / 4 - 800 / ; 5 - 3200 / ... 40

Figura 30 - Gráficos da velocidade em 3 zonas distintas da foz de Viana do Castelo para os dois caudais extremos ... 42

Figura 31 - Velocidade no ponto de observação B e D, para a maré viva com caudal fluvial médio do rio Lima ... 42

Figura 32 - Velocidades no ponto de observação B para a simulação sem e com obras de proteção marítima, para um caudal fluvial igual de 400 m3/s e maré viva ... 43

Figura 33 - Comparação entre as simulações 2D e 3D no parâmetro erosão sedimentação .... 45

Figura 34 - Comparação 2D com 3D em planta com parâmetro erosão sedimentação ... 46

Figura 35 - Comparação de pormenor entre resultados obtidos com os modelos 2D e 3D para os valores de erosão/sedimentação ... 47

Figura 36 - Erosão/sedimentação com a influência da maré morta (esquerda) e maré viva (direita) na zona da foz no instante final da simulação ... 49

Figura 37 - Erosão/sedimentação com a influência da maré morta (superior) e maré viva (inferior) na zona do meio do modelo no instante final da simulação ... 50

Figura 38 - Fotografia da zona a jusante da ponte de Lanheses ... 50

Figura 39 - Erosão/sedimentação com a influência da maré morta (esquerda) e maré viva (direita) na zona do a jusante do açude de Ponte de Lima no instante final da simulação ... 51

Figura 40 - Perfil longitudinal dos parâmetros erosão e sedimentação para os cenários C16 – maré viva e C17 – maré morta para o instante final da simulação ... 52

Figura 41 - Transporte total na zona da foz com influência da maré morta (esquerda) e maré viva (direita) ... 53

Figura 42 - Erosão/sedimentação na zona da foz para os quatro cenários: C10 (38 / ); C11 (400 / ); C12 (800 / ); C13 (3200 / ) ... 54

Figura 43 - Erosão/sedimentação na zona central com os 4 cenários: C10 (38 / ); C11 (400

/ ); C12 (800 / ); C13 (3200 / ) ... 55

Figura 44 - Erosão/sedimentação na zona final para os quatro cenários: C10 (38 / ); C11 (400 / ); C12 (800 / ); C13 (3200 / ) ... 56

Figura 45 – Perfil longitudinal com o parâmetro erosão/sedimentação para os quatro cenários: C10 (38 / ); C11 (400 / ); C12 (800 / ); C13 (3200 / ... 57

Figura 46 - Transporte total na foz com os cenários C10 (38 / ); C11 (400 / ); C12 (800 / ); C13 (3200 / ), para o instante de maior velocidade ... 58

Figura 47 - Transporte total no trecho central do modelo os cenários C11 (400 / ); C12 (800 / ); C13 (3200 / ), para o instante de maior velocidade ... 59

Figura 48 - Transporte total no trecho inicial do modelo os cenários C11 (400 / ); C12 (800 / ); C13 (3200 / ), para o instante de maior velocidade ... 60

Figura 49 - Erosão / sedimentação para o cenário C14, C15 para 1 (esquerda) e 10 (direita) anos ... 61

Figura 50 - Percentagens dos valores de caudal do Rio Lima ... 73

Figura 51 - Oscilação para maré viva ... 74

Figura 52 - Oscilação para maré morta ... 74

Figura 53 - Oscilação para maré de intermédia ... 74

Figura 54 - Função Quickplot para conversão de splines ... 75

Figura 55 - Função Rgfgrid ... 75

Figura 56 - Função Flow input admissão da grelha e colocação do molhe ... 76

Figura 57 - Função Quickin atribuição da batimetria ... 76

Figura 58 - Função Flow input atribuição das condições de fronteira ... 76

Figura 59 - Função Flow input definição do tempo de cálculo (A), propriedades (B) e pontos de observação (C) ... 77

Simbologia e Abreviaturas

APVC - Administração do Porto de Viana do Castelo Mor - Módulo morfodinâmico do Delf3D

Flow - Módulo hidrodinâmico do Delf3DSNIRH

SNIRH - Sistema Nacional de Informação de Recursos Hídricos UMT - Universal Transverse Mercator Coordinate System

2D - Bidimensional

3D - Tridimensional

NSE - O modelo de eficiência de Nash Sutcliffe

BIAS - Soma das diferenças entre valores simulados e valores observados RMSE - Raiz quadrada do erro quadrático médio

CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO

1.1.Enquadramento

As regiões litorais apresentam uma importância substancial para a vida humana e seu desenvolvimento. Cerca de 60% das grandes cidades existentes no nosso planeta estão localizadas em zonas próximas a estuários, apresentando-se assim estas regiões como as mais valiosas e mais apetecíveis para a população em geral (Duarte & Vieira, 1997).

Um estuário, na ausência de ações antrópicas, constrói as suas próprias planícies de maré e pântanos fornecendo nutrientes para inúmeros organismos (Oberrecht, 2004). Contudo, o elevado crescimento da ocupação humana das regiões litorais origina impactos negativos, sendo de extrema importância perceber estes impactos de modo a poder diminuir ou anular as consequências para todos os seres vivos que dele necessitam para sobreviver (Bell, et al, 2000). Com o grande desenvolvimento tecnológico verificado atualmente, surgiram ferramentas informáticas que permitem simular o funcionamento de sistemas complexos. No caso de sistemas hidráulicos, essas ferramentas são objeto de desenvolvimento num domínio designado hidroinformática. Este domínio explora a interação entre a modelação matemática e as tecnologias de informação e comunicação, no sentido de proporcionar a sua aplicação na resolução de problemas relacionados com os sistemas hídricos, contribuindo para o desenvolvimento sustentado das sociedades contemporâneas (Pinho, 2000).

Os estuários são ambientes sedimentares costeiros cuja morfologia depende da interação de fluxos de energia gerados pelas ondas, marés e descarga fluvial (Miranda et al., 2002). Estes agentes são responsáveis pela geração de correntes, o que torna estes sistemas altamente dinâmicos.

A caracterização do contínuo ajuste hidrodinâmico e morfológico constitui o primeiro passo em muitos estudos sobre zonas costeiras, dado que as correntes e a morfologia determinam o movimento dos sedimentos (Sprovieri, et al, 2010) e das substâncias dissolvidas.

As principais aplicações que advêm do seu estudo são a previsão de correntes e marés, a análise da intrusão salina em estuários, o cálculo de tempos de residência, a propagação e rebentação das ondas, e a previsão de sobrelevações e de correntes litorais devidas às ondas.

A sedimentação acontece com preponderância sempre que as correntes e turbulência gerada pela velocidade do escoamento diminuam de tal forma a não possuir força suficiente para manter os sedimentos em suspensão ou em movimento. Todavia, num estuário, este transporte é bastante diferente, considerando que há o encontro entre correntes marítimas e fluviais, havendo assim a problemática da subida e descida da maré. Com esta oscilação, as correntes em determinados períodos de tempo diminuem, permitindo então a deposição de alguns sedimentos mais pesados (Delgado, 2011). Após esta deposição e com a subida do nível das águas, estes sedimentos vão sofrer um arrastamento com um sentido de escoamento diferente, devido a fluxos diferenciados de correntes de água doce e salgada. Assim, uma parte dos sedimentos nunca chega a alcançar a plataforma oceânica depositando-se no estuário (Tomczak, 2000).

Para manter uma zona de foz navegável, com fins de transporte de mercadorias ou lazer, é necessário proceder quase sempre a dragagens. Isto acontece pois os rios são o fornecedor preponderante de sedimentos à zona costeira, cerca de 85,9% dos sedimentos transferidos (Dias, 2004). Como exemplo do impacto económico deste tipo de intervenção, a entidade gestora do porto de Viana do Castelo (APVC) gastou cerca de meio milhão de euros em dragagens ao longo do ano de 2014 (Barbosa, 2015). A capacidade de previsão da dinâmica sedimentar e das variações morfológicas é, assim, um elemento fundamental para uma gestão adequada das zonas costeiras (Duarte & Vieira, 1997). As principais aplicações que advém do seu estudo são a quantificação de taxas de erosão e deposição em estuários e bacias portuárias, a previsão da evolução da linha de costa, a alimentação artificial de praias, o estudo de obras de proteção costeira, a regularização de embocaduras lagunares, e a definição de dragagens e de planos de imersão de dragados (Fortunato, 2011).

A presente dissertação tem como principal foco a modelação da hidrodinâmica e dinâmica sedimentar de um trecho estuarino. Como já referido, estas zonas são extremamente dinâmicas tendo diversas variáveis influentes na sua evolução, tais como o nível das marés, o vento, a junção de águas oceânicas e fluviais, entre outras.

Estas têm de ser corretamente replicadas no software a utilizar, de modo a ser possível obter com rigor previsões do transporte e deposição sedimentar. Considerando tratar-se não só de um problema a nível longitudinal mas também a nível transversal, A utilização de ferramentas 3D ajuda a estudar com mais pormenor casos específicos.

Para a construção do modelo preconizado foi utilizado o software de modelação Delft3D, em que é possível implementar modelos tridimensionais, que são os que mais se aproximam das situações reais, pois utilizam formulações de elevada complexidade física e também pela diversidade de métodos e opções numéricas implementadas. Este software foi desenvolvido pela Deltares Systems com o intuito de estudar modelos hidrodinâmicos (Delft3D-FLOW) e com um módulo morfológico (Delft3D-MOR) que permite o estudo de transporte e deposição sedimentar em rios, estuários e zonas costeiras em escalas temporais de dias até anos.

1.2.Objetivos da dissertação

O principal objetivo deste trabalho foi a construção e calibração de um modelo tridimensional do estuário do rio Lima, que possibilite a simulação de eventos hidrológicos e morfológicos. Assim, foi possível, através da simulação de um conjunto significativo de cenários, elaborar uma descrição das características associadas aos principais fenómenos hidrodinâmicos e morfodinâmicos do estuário do rio Lima.

1.3.Estrutura da dissertação

Esta dissertação encontra-se organizada em 5 capítulos, dentro dos quais existem subcapítulos mais específicos.

No primeiro capítulo, surge a introdução ao tema abordado, contendo as motivações que levaram à escolha deste tema, bem como os objetivos perseguidos. Possui também dados históricos da pesquisa realizada acerca do tema, com o intuito de focar a importância do estudo desta temática para a sociedade.

No segundo capítulo foram descritos de forma pormenorizada os processos físicos presentes no estudo, podendo agrupar-se em dois grupos: hidrodinâmica e dinâmica sedimentar. Sendo

necessário perceber como é possível quantificar e estimar estes processos, foram ainda descritas as formulações matemáticas utilizadas no software aplicado.

No terceiro capítulo, denominado caso de estudo, encontra-se presente toda a informação adquirida e utilizada para a elaboração do modelo computacional. Contém ainda uma descrição da bacia hidrográfica e respetivo estuário do Rio Lima, morfologia, limites, caudais adotados e quantidade de sedimentos. Posteriormente foi descrito o método e procedimento de elaboração do modelo, desde a criação da malha até à introdução dos dados de entrada, para ser possível a simulação. Toda a descrição é acompanhada de figuras ilustrativas do processo realizado. No quarto capítulo, intitulado resultados e discussão, são apresentados todos os resultados sob a forma de figuras e sob a forma de texto escrito que, descrevendo e acrescentado informações às figuras, apresentam as ilações retiradas da comparação e análise de cada cenário. Não obstante a descrição dos resultados, procurou-se ainda incluir uma possível explicação para cada resultado obtido.

No quinto capítulo, após a análise dos resultados, são apresentadas as principais conclusões e sugeridas novas temáticas a desenvolver dentro do tema, para futuros trabalhos.

CAPÍTULO 2. Hidrodinâmica e dinâmica sedimentar

2.1.Marés

A variação de altura da massa de água dos oceanos, denominada maré, é provocada pela ação dos astros que rodeiam a Terra. Devido à relação de proximidade e massa volúmica dos mesmos, podemos concluir que os mais influentes são o Sol e a Lua, sendo os restantes desprezados em termos de cálculo (Pinho, 2011). A Lua é a responsável pelos acontecimentos de preia-mar e baixa-mar, ocorrendo estes quando a posição da Lua for diretamente acima do local ou exatamente do outro lado do globo. O Sol, a par da posição da Lua, tem influência acrescida, originando assim as marés vivas e marés mortas, com uma periocidade de quinze dias. A figura 1 apresenta o esquema de influência da lua sobre a formação das marés.

Figura 1 - Esquema ilustrativo da ação da Lua (Gomes, 2004)

aumento da amplitude, alterando assim as características da maré. Embora estas peculiaridades aconteçam em todas as costas presentes no mundo, o resultado não é igual para todas, pois existe também a influência da morfologia da linha de costa (Reis, 2008). Do mesmo modo que as condições se alteram próximas da costa, o mesmo acontece quando entram nas zonas de desembocadura dos rios. Além do aumento da amplitude e, devido ao estreitamento do canal, existe um aumento significativo da altura da água (Forrester, 1983).

2.2.Vento

Sempre que existe um contato entre dois meios com propriedades distintas, existe algum tipo de fenómeno de interação entre os dois meios. A interação entre a superfície da água e o ar não é exceção. Como existem movimentos de massas de ar devido ao aquecimento e/ou arrefecimento das mesmas, estas vão interagir com a superfície da água e assim gerar tensões que resultam em correntes, que podem ou não ter o mesmo sentido que o resto da massa de água adjacente (Gomes, 2004). Sabe-se também que estas correntes sofrem influência do movimento de rotação da Terra, explicando assim diferenças que existem aquando da mesma intensidade e direção do vento, e as correntes geradas (Pinho, 2000).

2.3.Efeito de Coriollis

Devido ao conhecido movimento de rotação da Terra, as grandes massas de fluidos existentes à face da superfície terrestre, ar e água, sofrem uma aceleração que origina o efeito de Coriollis (figura 2). Consequentemente, este tem um sentido horário no hemisfério Norte e um movimento anti-horário no hemisfério Sul (Gomes, 2004).

Figura 2 - Efeito Coriollis (Gomes, 2004)

2.4.Correntes Termohalinas e estratificação

Como supracitado no ponto referente à ação do vento, este tipo de correntes acontece devido à interação entre camadas; neste caso entre camadas de água, com diferentes propriedades: salinidade, temperatura e pressão.

As características referidas originam diretamente as correntes termohalinas, que têm como principal consequência a ascensão de massas menos densas e o afundamento de massas de água mais densas. Estas correntes variam fortemente com a zona em que se encontram, tanto devido à temperatura da água como devido à concentração de salinidade.

A temperatura é responsável pela estratificação térmica que se traduz na variação vertical de temperatura numa massa de água. Estas possuem duas zonas que se podem considerar isotérmicas - a camada superficial e o fundo. A camada superficial porque, devido ao já referido vento, há uma camada de mistura muito forte e a temperatura vai manter-se basicamente a mesma. A zona do fundo pois a variação de temperatura aí é extremamente lenta (Gomes, 2004).

2.5.Ondas

As ondas são provocadas devido às interfaces entre massas com densidades distintas. Estas podem ser internas ou externas. As que são mais visíveis, superficiais, formam-se devido à interação entre a massa de água superficial e o ar, enquanto as internas surgem no limite entre duas camadas com diferentes densidades. Os períodos dos dois tipos de onda não são iguais, sendo as internas mais longas (minutos ou horas) do que as superficiais (segundos) (Pinho, 2000).

2.6.Processos hidrossedimentológicos

A natureza demostra que procura sempre o equilíbrio dos seus ecossistemas, e os rios não são exceção. Quando existem grandes alterações de sólidos transportados no rio (por exemplo se a carga de sólidos for grande) (Carvalho, 2008), o rio tenderá a formar depósitos, caso contrário ocorre uma maior degradação do leito do rio.

Dentro dos processos hidrossedimentológicos estão compreendidos os fenómenos de erosão, transporte e deposição de partículas sólidas presentes numa determinada bacia hidrográfica (Silva, Schilz, & Camargo, 2003).

2.6.1.Produção de sedimento

Uma parte dos sedimentos é formada durante o ciclo geológico dos maciços rochosos. Este ocorre desde que haja afloramentos das rochas que, por estarem em contato com fenómenos climatéricos são erodidas, havendo a criação de fragmentos rochosos. Como são processos demorados e temporalmente irregulares, é muito complicado quantificar e prever a quantidade de material erodido. Conforme as intensidades dos eventos meteorológicos a erosão é maior ou menor, sendo que cerca de 70 a 90% de todos os sedimentos erodidos e transportados ocorre nos períodos chuvosos (Carvalho, 2008). A outra parte de fornecimento de sedimentos tem origem na erosão dentro do próprio rio, tanto nas suas margens como no seu fundo.

Recentemente existe outro fator que tem vindo a ser cada vez mais influente que é a ação antropogénica, como a desflorestação ou agricultura massiva. Sabemos que a quantidade de

sedimentos que uma bacia fornece aos cursos de água é bastante influenciada por fatores geomorfológicos e ambientais. Nestes estão incluídos a natureza, extensão e localização dos pontos de erosão, relevo, tipo de bacia hidrográfica e vegetação (Walling, 1983). Para comprovar isso, Santos (2010) determinou que a cobertura vegetal pode reduzir as perdas de solo em 90%, e reduzir a velocidade de arrastamento em 60%.

2.6.2.Transporte de sedimentos

Segundo Vestana, (2008) o transporte do material erodido acontece sobre a forma de fluxo de massa, através de rolamento/arraste ou em suspensão. O escoamento, antes de os sedimentos atingirem o curso de água, é maioritariamente regulado pela intensidade das chuvadas, enxurradas, e pela inclinação do terreno. Contudo, devido à grande resistência encontrada pelas enxurradas, a totalidade dos sedimentos transportados não chega ao rio, ficando retida pelo trajeto (Lameiro, 2009). Após a chegada ao curso de água, o transporte é diferenciado conforme a relação entre a densidade do material e a densidade do fluido em que se encontra. Logo, sedimentos mais densos tendem a depositar-se no fundo. Assim, podemos considerar que existem dois meios de transporte num rio: arrastamento no fundo ou em suspensão.

No transporte em suspensão o material encontra-se em suspensão na massa de água, deslocando-se no sentido do escoamento, mas com velocidades diferentes do mesmo. Quanto maior for a corrente, maior é o poder de transporte e maior é a possibilidade de re-suspensação. A concentração destes varia conforme a profundidade, sendo habitualmente menor na zona superficial (figura 3) (Carvalho, 2008). No entanto, devido à existência de material muito fino, este mantem-se praticamente sempre em suspensão, sendo esse o motivo da elevada turvação dos rios (Tomczak, 2000).

Figura 3 - Gráfico ilustrativo da variação da concentração dos diferentes tipos de sedimentos (Bartelli, 2012)

Para as partículas depositadas sofrerem transporte existem também duas opções: ou a velocidade/força na interface fundo-fluido é tão grande que consegue voltar a colocar as partículas em suspensão, já referido, ou essa força é menor e consegue simplesmente fazer com que os sedimentos se movimentem da sua posição no sentido do escoamento. Estes podem rolar, ser arrastados ou “saltar”. Este processo é um dos grandes responsáveis pela existência de sedimentos com forma arredondada, denominados seixos (PoPP, 1998).

Ambos os processos terminam quando a força de transporte não é suficiente para manter em movimento partículas de determinada densidade, ocorrendo a deposição. Segundo vários autores, a carga transportada por suspensão é cerca de 90% da carga total transportada. (Ward & Trimble, 1995).

2.6.3.Deposição de sedimentos

Como referido anteriormente, os sedimentos são depositados sempre que a velocidade da corrente seja menor. Se analisarmos o gradiente de velocidades/inclinação de um rio ao longo do seu trajeto até à foz, este diminui sendo por isso notada uma deposição gradual dos sedimentos por densidades, da maior para a menor (montante-jusante) (figura 4) (Oberrecht, 2004).

Aquando de fortes chuvadas ou caudais mais elevados o rio inunda determinadas zonas que quando o caudal volta ao normal estas estão repletas de sedimentos. Estes podem também ficar retidos nas margens devido à morfologia do rio ou à vegetação.

Figura 4 - Esquema ilustrativo da deposição dos sedimentos (Oberrecht,2004)

É importante salvaguardar que tudo o que foi descrito até agora é comprovado para uma bacia hidrográfica com baixa intervenção humana. Caso haja grande exploração mineira, dragagens, agricultura massiva ou desflorestação os regimes de produção, transporte e deposição são completamente alterados.

2.6.4.Formulações matemáticas utilizadas – hidrodinâmica

Para podermos calcular ou prever características hidrodinâmicas de uma massa de água temos que usar ferramentas matemáticas que simulem através do cálculo o que acontece na realidade. As equações matemáticas simulam uma ou mais características.

2.6.4.1.Equações de Navier-Stokes

As equações de Navier-Stokes têm como objetivo caracterizar o movimento do volume elementar de um fluido incompressível e isotérmico, quando este é expresso em termos de valores instantâneos das componentes das velocidade u, v, w e da pressão p. (Pinho, 2000)

+ + + = − + + + [1]

+ + + = − + + + [3] Onde,

, são as componentes das forças de volume por unidade de massa ! "#$%_&;

P é a pressão '(&;

é o coeficiente de viscosidade dinâmico "# )$% *$%&.

2.6.4.2.Equações de Reynolds

Através de uma modificação nas equações atrás referidas, obtemos as equações de Reynolds. Estas sofrem uma substituição do valor instantâneo da velocidade pela soma de um valor médio temporal com uma função aleatória, caracterizando assim o movimento médio de uma partícula de fluido (Pinho, 2000). +,-_{,. +},/- -0_, +,/û-0_, +,/û20_{, 3 4&} = −,5̂_{, + +},_,7-₇ +,_,7-₇+,_,7₇-3 −19_{, ` `}, ;;;;; + ,_{, ` `};;;;; + ,_{, ` `};;;;;;< +, -_{,. +},/ --0_, +,/ - -0_, +,/ -20_{, 3 5&} = −,5̂_{, + +},_,7-₇+_,,7-₇+,_,7₇-3 −19_{, ` `}, ;;;;; + ,_{, ` `};;;;; + ,_{, ` `};;;;;;< +,2_{,. +},/2 -0_, +,/2 -0_, +,/2 20_, 3 6& = −,5̂_{, + +},_,72₇ +,_,72₇ +,_,72₇3 −19_,, ;;;;;; + ,` ` _, ;;;;;; + ,` ` _{, ` `};;;;;;< Onde,

û , - , 2 são médias temporais das componentes da velocidade ) *$%&;

` , ` , ` são flutuações das componentes da velocidade ) *$%&.

A equação da continuidade com as equações de Reynolds (tridimensionais) desenvolvidas com valores médios de ` , ` , `, são o início do estudo de escoamentos reais. Tendo sempre que ser ajustadas para ter em atenção as características de cada caso de estudo, como por exemplo, fundos pouco profundos, outras forças, variações de pressão atrito de superfície ou a existência de substâncias/poluentes (Pinho, 2000).

2.6.5.Formulações matemáticas utilizadas – Processos sedimentológicos

Com vista ao cálculo do transporte sedimentar não coesivo existem várias formulações desenvolvidas sendo uma das que mais se destaca a abordagem de Van Rijn. (Delft hydraulics, 2003).

Nesta formulação existe a separação entre dois tipos de transportes, atrás referidos, o transporte de fundo e o transporte em suspensão, ambos originados devido a correntes e ondas.

@AB@A,CD@A, [7]

@EB@E,CD@E, [8]

Onde, @_A (m3/s/m) é o transporte em suspensão, @_E (m3/s/m) o transporte de fundo, @_A,C e @_A, (m3_{/s/m) representam respetivamente a influência das correntes e ondas no transporte em}

suspensão e por fim @_E,C e @_E, correspondem à contribuição das correntes e ondas no transporte de fundo. Os gradientes de transporte na direção x e y são utilizados na equação da continuidade com o intuito de determinar as variações do fundo. Segue - se então a equação:

F₊ GHF,ID HJ,IK₊ GHF,LD HJ,LK_{= 0}

[9]

Sendo,

@E, = @E,C, + @E, , , transporte de carga de fundo na direção x [m3/s/m];

@E, = @E,C, + @E, , , transporte de carga de fundo na direção y [m3/s/m];

@A, = @A,C, + @A, , , transporte de carga em suspensão na direção y;

No que diz respeito ao transporte tridimensional de sedimentos em suspensão este é calculado através duma equação tridimensional de advecção-difusão.

N/O0 P + QN/O0 I + RN/O0 L + G $ J/O0KC/O0 S − 9TA, /U0 N/O0 I < − 9TA, /U0 N/O0 L < − 9TA, /U0 N/O0 S < = 0 [10] Onde,

V/U0 _{concentração de massa da fração de sedimentos /W0 "#/)}X_&;

, componentes da velocidade )/*&;

A/U0 velocidade de sedimentação da fração de sedimentos /W0 )/*&;

T coeficiente de difusão turbulenta.

O transporte em suspensão devido à corrente nas duas direções é obtido por:

@A,C, = Y_\[ V − TA, C Z [11]

@A,C, = Y_\[ V − TA, C Z [12]

O transporte no fundo para todas as frações de sedimentos é determinado por outro método de Van Rijn, sendo este:

|@E| = 0.006 _ A AZ`a/U0ba.`bca.d [13]

Sendo,

@E transporte sólido no fundo "#/)X&;

_ disponibilidade relativa da fração do sedimento na camada de mistura;

b mobilidade dos sedimentos devido a ondas e correntes;

As mobilidades representadas anteriormente são obtidas através de : b = eff /A$%0ghij [14] bc =G_/A$%0gheff$ Nk_ijK [15] cll = m n7+ opq7 [16] Onde,

Cr velocidade crítica para o início do movimento (com base a

parametrização da curva de Shields) )/*&;

n módulo da velocidade média segundo a direcção vertical, calculado a

partir da velocidade na camada inferior, assumindo um perfil de velocidade logarítmico )/*&;

opq velocidade de pico na camada de fundo (na direção de propagação da onda) )/*&;

* massa volúmica relativa dos sedimentos, adimensional.

O cálculo do transporte de fundo assume que se resume a duas componentes, a componente da corrente (@_E,C), que actua na direção da corrente de fundo, e a componente das ondas (@_E, ), que actua na direção de propagação das ondas. Estas são determinadas com as seguintes equações:

@E,C = _{m%Dr D7|r| stu φ}HF [17]

|@E, | = w|@E,C| [18]

w =/|xyz|$ Nk0{

/| ||$ Nk0{ [19]

Se, w < 0.01 então @_E, = 0 e w > 100 então @_E,C = 0. O ângulo φ é o ângulo entre a direção da corrente e a direção da onda.

@E, =_G F

F D F Kj,i @E,C+ @E, cos ∅

[20]

@E, = _G F

F D F Kj,i @E,C+ @E, sin ∅

[21]

Em que,

E E Velocidades das correntes de fundo na direção x e y;

E ∅ corresponde ao ângulo entre a direção de propagação da onda e o eixo x.

Para estimar o transporte em suspensão devido às ondas Van rijn, utiliza uma aproximação ao transporte devido à velocidade assimétrica das ondas. Assim, ele propôs:

@A, = 0.2†HxH‡oˆ‰Š [22]

Onde,

@A, transporte devido às ondas "#/)X&;

†HxH‡ parâmetros de ajuste;

oˆ Velocidade assimétrica das ondas )/*&;

CAPÍTULO 3. CASO ESTUDO

3.1.Bacia hidrográfica e estuário do Rio Lima

A bacia hidrográfica do Rio Lima possui uma área de 2450 km2. Desta, cerca de 1140 km2 (46,5%) pertence a Portugal, sendo o restante território de Espanha. O Rio Lima tem a sua nascente na Serra de S. Mamede, Espanha, a cerca de 950 metros de altitude e percorre 108km, sendo 67 km em território português, ate à foz em Viana do Castelo. No trecho português possui duas barragens, Alto Lindoso e Touvedo, sendo que o enfoque deste estudo se dá entre montante do açude de Ponte de Lima e a foz (figura 5). Este é descrito no Plano de Bacia Hidrográfica do Lima, 2000, como um rio alongado e com direção ENE-WSW, com perfil transversal em U, até à zona de Ponte de Lima, abrindo - se depois em forma de taça com um fundo plano e muito largo apresentando, após a ponte de Lanheses, um declive de 0,024% até à sua foz. Possui apenas um grande afluente em Portugal, o rio Vez, com um comprimento de 39 km e drenando cerca de 263 km2 (Mendes, 2009). O rio Lima tem a sua entrada situada entre dois conjuntos montanhosos importantes, Serra da Peneda (1416m) e Serra Amarela (1361m), possuindo uma altitude média de 447 metros (Mendes, 2009).

Figura 5 - Localização do Rio Lima e das duas barragens em território nacional (Google Earth, 2015) A região da bacia do rio Lima é considerada a mais pluviosa de Portugal, com cerca de 2125 mm de precipitação média anual, originando um escoamento médio anual na foz de 3298 hm3_.

Destes, 1598 hm3 _{provêm da secção espanhola, que possui os seus limites naturais impostos a}

Norte pela bacia do rio Minho, a Este pela bacia do rio Douro e a Sul pelas bacias dos rios Âncora e Cávado, englobando assim uma jurisdição de 10 concelhos (Mendes, 2009).

O estuário estende-se num comprimento de cerca de 20 quilómetros, desde o açude de Ponte de Lima para jusante. No estuário o rio fica mais largo e com uma inclinação muito reduzida, propiciando a formação de depósitos sedimentares, tanto no leito como nas suas margens. Assim, formam-se ínsuas e margens muito extensas, que rapidamente são dominadas por vegetação herbácea, criando uma série de praias fluviais até à zona de Viana do Castelo. Contudo, muitos destes aglomerados não têm cota suficiente para se manter sempre à superfície, criando extensos troços de areia aquando das marés mais baixas. Devido a estas características, as zonas de leito de cheia do rio são zonas com uma cota muito próxima das margens e com uma grande extensão que, aquando de grandes caudais, são facilmente inundadas dobrando a largura do rio. No que diz respeito à zona da foz em Viana do Castelo, esta varia de 800 metros, perto da ponte Eiffel até 300 metros, entre o porto antigo e o novo (figura 6). Existe esta variação de larguras devido à presença do porto marítimo de maiores dimensões para conseguir dar resposta a maiores embarcações. Assim, o porto passou da margem norte para a margem sul, estreitando ainda mais o rio. Consequentemente, e com a necessidade de garantir a entrada e saída das embarcações, existem duas obras marítimas de grandes dimensões que protegem a entrada da foz das fortes ondulações provenientes do mar. Neste percurso o canal do rio é estreito e possui uma profundidade média de 10 metros, havendo uma sistemática remoção de inertes por parte do porto de Viana do Castelo para manter as condições de navegabilidade do canal.

De acordo com a PRONAM, 2006, na zona do estuário não existem afluentes com dimensão nem caudal suficiente para provocar alterações significativas no canal principal do rio.

Nesta secção do rio Lima, como já foi referido anteriormente, é uma zona de grande variação hidrodinâmica pelo encontro de dois fluxos de massa distintos, marítimo e fluvial. A costa portuguesa é influenciada com marés do tipo semidiurno normal constituído por duas preia-mares e duas baixa-preia-mares diárias. O PRONAM (2006) caracteriza estas oscilações da forma explícita na Tabela 1.

Tabela 1 - Valores médios anuais da maré em Viana do Castelo, PRONAM (2006)

Tal como nos restantes rios importantes de Portugal, o rio Lima também possui barragens para aproveitamentos hidroelétricos. Estes estão localizados perto da fronteira com Espanha devido à morfologia do terreno aí presente. Assim, logo após a fronteira existe a barragem Alto do Lindoso com 105x104 m2 inundados e logo de seguida a barragem de Touvedo com cerca de 172x104 m2 inundados (figura 7). Estas têm como intuito principal o fornecimento de energia, mas também regularizam o caudal e impedem variações acentuadas de caudais aquando de episódios de chuvadas intensas.

Em relação aos caudais existentes no Rio Lima, estes são diretamente condicionados e gerados pelas duas barragens referidas. Segundo análises estatísticas dos dados existentes na plataforma do SNIRH, da estação hidrométrica que existe logo a seguir à barragem de Touvedo, conclui-se que o caudal médio anual ronda os 38m3/s. Porém, em época de Verão este pode baixar para cerca de 5m3/s (Anexo 1).

3.2.Modelo tridimensional do estuário do rio Lima

Uma das fases mais importantes e mais morosa foi a criação do modelo, não só pela aprendizagem necessária sobre o funcionamento do software mas também pela necessidade de usar outras ferramentas externas ao Delf3D para conseguir realizar as tarefas de pré-processamento. Desta forma, e com o intuito de criar a grelha necessária para as simulações, foi utilizado o Google Earth (2015), através da ferramenta “adicionar caminho”, para obter os contornos do estuário em formato *kml desde a zona de Ponte de Lima até ao oceano em Viana do Castelo (figura 8). Numa fase inicial, e com o objetivo de verificar a grelha obtida através deste método, foi apenas utilizado o contorno do leito menor do rio. Após uma verificação visual da qualidade do mesmo foi elaborado o contorno do leito de cheia. Dadas as dificuldades em perceber o seu contorno, foi utilizada a linha de vegetação e a funcionalidade do Google

Earth que permite obter uma estimativa da cota da zona onde se encontra o cursor. Assim

considerou-se uma distância desde do eixo do rio até um limite onde a cota seja superior à cota do leito 4 m. Foi utilizada esta distância de 4 metros devido á variação da amplitude da maré e com o conhecimento que as zonas do leito de cheia não ficam submersas em maré viva.

Figura 8 - Contornos do estuário do Rio Lima utilizados na construção da grelha (modificada, Google Earth, 2015)

O programa Defl3D não reconhece o tipo de ficheiro *.kml. Para transformar o contorno num formato compatível com o software utilizado e para a transformação de coordenadas para o mesmo datum de referência utilizado na batimetria, que será abordado na secção seguinte, foi utilizado o ArcMap 10.1. Através deste programa, e utilizando as suas ferramentas foi possível criar um layer para cada ficheiro *kml obtendo- se assim quatro layers que representam o contorno do estuário, dois relativos ao leito menor e dois correspondentes ao leito de cheia (um para cada margem). Posteriormente, foi utilizado o comando merge, criando assim um só layer para se proceder à conversão do sistema de coordenadas UTM para

Datum_73_Hayford_Gauss_IGeoE. A finalizar a utilização do ArcMap o ficheiro foi exportado

como shapefile (*.shp). Contudo, o Defl3D ainda não reconhece este ficheiro, este tem de ser convertido para landboundarie ou spline. Optou-se por converter para spline, pois assim facilita a criação das linhas de apoio para a criação da grelha. Assim, e agora já utilizando o software

Delf3D, foi usada a funcionalidade QUICKPLOT , apesar de esta ser uma ferramenta para

exportar resultados permite que os ficheiros shapefile sejam abertos, sendo depois exportados com o formato de spline (*.spl) (figura 9) (Anexo 3 – figura 54)

Figura 9 – Ambiente Delf3D linhas de apoio - splines

Para a criação da grelha necessária ao modelo do estuário, é indispensável haver a criação de um conjunto de linhas de apoio, splines. Estas linhas de apoio servem para haver uma divisão da grelha num número de espaços desejado, logo é possível manipular o número ou posição das linhas para aumentar o número de pontos da grelha numa determinada zona (figura 9). Assim, usando a funcionalidade RGFGRID do DElf3D, foram acrescentadas splines verticais às splines do ficheiro exportado do Google Earth (Anexo 3 – figura 55.A). Após várias tentativas e a sua avaliação visual (figura 10), foi obtida uma grelha ortogonal, requerida para máxima fiabilidade

de resultados. As maiores dificuldades foram as zonas de ligação estuário-oceano e as curvas mais acentuadas existentes que faziam com que a grelha deixasse de ser ortogonal. Para as zonas que o refinamento não resultou como esperado foi optado por serem apagadas células, sendo depois manualmente ajustadas as restantes. No caso da foz, foram eliminadas as secções da malha que não representavam a morfologia do estuário.

Figura 10 - Diferentes grelhas geradas no programa RGFGRID

Para se conseguir obter resultados mais fiáveis é necessário fazer o refinamento da grelha (figura11a), que acarreta uma consequência importante, o aumento do tempo de computação (Anexo 5.4 – figura 3.B). Assim, optou-se por fazer um refinamento local do leito menor do rio (figura11b.1) (Anexo 5.4 – figura 3.C) e depois um refinamento global de toda a grelha (figura 11b.2). As características finais da grelha estão presentes na figura 11c. Desta forma, obteve-se maior resolução na zona de maior interesse (foz) sem comprometer o tempo de computação (figura12) para cada simulação que foi aproximadamente de três horas para a versão bidimensional num computador com processador Intel Core i7 1.73GHz.

Figura 11 - Refinamento da grelha

Figura 12 - Grelha final

O refinamento visível na grelha final a jusante da embocadura do rio não foi propositado e só existe devido a incapacidade de ser feito um refinamento mais localizado.

Com o objetivo de incluir os molhes da embocadura, foi utilizada a função thin dams, dentro do módulo Flow input, permitindo assim delimitar as zonas em que se encontram os molhes e

Sem refinamento _{1º Refinamento – Local}

2º Refinamento - Global

(a) (b.1)

condicionando desta forma o escoamento e fluxo hidrodinâmico (figura 13) (Anexo 3 – figura 56).

Figura 13 - Obras marítimas na foz Google Earth (esquerda) e no Deld3D (direita)

3.2.1.Batimetria

Após a criação da grelha, o próximo passo foi utilizar a funcionalidade QUICKIN para atribuir a cada nó da grelha um valor de cota. Para isto, foi necessário obter ficheiros batimétricos da extensão da zona em estudo. Através do sítio na internet do instituto hidrográfico obteve-se a batimetria da zona costeira adjacente; sendo a batimetria da zona da embocadura disponibilizada pela Administração do Porto de Viana do Castelo. Para a zona de leito de cheia foi criado um ficheiro batimétrico com as coordenadas da zona de cheia do rio. Foi criada uma malha de pontos no Autocad atribuindo-se a cota a cada ponto de forma aproximada, sendo de seguida exportado através do comando EATTEXT como ficheiro excel e convertido com Bloco

de Notas para ficheiro tipo “depth” com extensão *xyz. As cotas foram atribuídas

acrescentando-se à cota do leito um valor correspondente ao desnível aproximado em cada secção entre o leito do estuário e as margens planas inundáveis, após reconhecimento de campo no local. Finalmente para o sector de montante do estuário foi criada também no Autocad uma malha de pontos que resultaram de uma medição no local da cota do açude, com um aparelho DGPS, e assumindo uma variação aproximadamente linear desde o açude até ao início do levantamento batimétrico. Esta aproximação foi utilizada de modo a simular o perfil existente e para suavizar o desnível evitando problemas de convergência nas simulações.

Todos os ficheiros foram convertidos para o sistema de coordenadas “Datum_73_Hayford_Gauss_IGeoE”. Com a importação de todos os ficheiros, batimétricos e

grelha, para a ferramenta do Delf3D QUICKIN, foi utilizado o comando triangular

interpolation para se atribuir os valores das cotas aos pontos da grelha (Anexo 3– figura 57).

No final, foram necessários alguns ajustes manuais em zonas onde não tinha sido atribuída qualquer cota no procedimento automático.

Figura 14 - Batimetria final importada para o ambiente Delf3D

3.3.Condições fronteira

Nos modelos existem dois tipos de fronteiras - aberta ou fechada. A diferenciação é feita na existência ou não de fluxo na fronteira: caso seja estanque é fronteira fechada, caso haja a entrada ou saída de caudal ou sedimentos é considerada uma fronteira aberta.

Neste modelo foram criadas duas fronteiras abertas que foram devidamente inseridas no módulo

Flow input (Anexo 3 – figura 58.A). Estas situam -se nas duas extremidades do rio, Montante

– Ponte Lima e Jusante – zona oceânica após a foz do Rio Lima (figura 15). As fronteiras fechadas são automaticamente assumidas como todo o contorno existente no ficheiro grid.

A montante, as condições utilizadas foram a função Total discharge com o tipo Time-series e distribuição vertical uniforme, onde foram inseridos os valores de caudal que cada cenário obrigava em função do tempo requerido. Já a jusante, foi utilizado a função Water Level com o mesmo tipo Time-series, em que também foram inseridos, neste caso, os níveis de elevação que eram necessários para cada cenário (Anexo 3 – figura 58.B). Como fica claro, é a partir da manipulação dos valores inseridos nestas duas secções do modelo que foram criados e diferenciados os vários cenários, sempre como intuito de atingir ou esclarecer uma determinada situação real. No caso das condições introduzidas referentes aos processos sedimentológicos, estas foram iguais em todos os cenários, baseando na colocação da concentração presente na fronteira de montante.

3.4.Testes de sensibilidade

Com o intuito de perceber como os diferentes parâmetros de ajuste do modelo faziam oscilar os resultados foram desenvolvidos testes de sensibilidade dentro de uma gama de valores. Como será referido no ponto seguinte o coeficiente de rugosidade de Manning e o coeficiente de viscosidade turbulenta horizontal são os dois parâmetros que permitem a calibração do modelo (Anexo 5.4 – figura 3.A). Para esta simulação a condição de fronteira de jusante foi Water Level com a oscilação do nível da maré entre os dias 05/07/2015 e 11/07/2015, para a fronteira de montante foi utilzada a função Total Discharge com um caudal constante de 38 m3/s.

Foram consideradas seis simulações, três para cada parâmetro, em que se variou somente o respetivo valor. Depois da devida pesquisa bibliográfica (Porto, 1998) foram escolhidos os seguintes valores, coeficiente de rugosidade de Manning 0.015; 0.033; 0.046 * ∗ )/$%/X0 e coeficiente de viscosidade turbulenta horizontal 1; 5; 20 )7/*. Os resultados dos testes de sensibilidade com a variância do coeficiente de rugosidade de Manning estão presentes na figura 16 e para o coeficiente de viscosidade turbulenta na figura 17.

Através das simulações e da análise dos gráficos acima apresentados (figuras 16 e 17), conclui-se que em relação ao coeficiente de rugosidade quanto menor o valor, maior é amplitude e a oscilação entre os coeficientes utilizados pode fazer variar os resultados em aproximadamente 0,5 metros. No coeficiente de viscosidade turbulenta horizontal a variação nos resultados é mínima, aproximadamente 0,1metro, sendo os valores de maior dimensão os que se traduzem em menor amplitude de onda.

Apesar destes resultados serem esperados, pois à medida que aumentamos estes parâmetros provoca-se maior resistência ao escoamento, diminuindo a amplitude, estes foram importantes para ter a perceção do valor que se deve variar e do impacto que vai causar nos resultados.

3.5.Trabalho de Campo

Para poder ter credibilidade e confiança nos resultados obtidos através do modelo este teve de ser calibrado de modo a que os resultados das variáveis simuladas sejam próximos de valores observados. Para isto, e devido à falta de dados históricos das características hidrodinâmicas do estuário, foi realizada uma campanha de registo dos níveis de maré em diferentes locais e diferentes períodos, de forma a poder ser efetuada uma simulação no Delf3D com as mesmas características, e haver a posterior comparação e ajuste necessário do modelo.

Foi colocada uma sonda do tipo RBR- TGR2050 (figura 18) com o intuito de através da mesma obter a variação do nível da maré. Foram selecionados quatro locais (figura 20). Nos mesmos, e após a consulta das previsões de maré no sítio do Instituto Hidrográfico, foi colocada a sonda de maneira a que a maré estivesse a descer ou na baixa-mar, para assim conseguir obter registos entre baixa-mar consecutivas, permitindo de modo fácil aceder ao local de colocação da sonda. Esta ficou submersa durante um ou dois períodos de maré até ser removida, o tempo foi estimado com ajuda da previsão da maré e com análise visual através da presença no local. Em três dos locais foi conseguido o registo ao longo de dois períodos de maré, ponto de observação de Lanheses 1, Lanheses 2 e Vila Mou. No ponto de observação de Cardielos só foi conseguido um período de maré devido a razões operacionais, pois esta foi colocada num local balnear e de fácil acesso o que implicou a presença no local durante aproximadamente 8 horas de modo a evitar um possível furto ou dano ao aparelho. Após cada recolha os dados foram exportados para Excel através do software da sonda, Ruskin e a sonda configurada para a próxima recolha.

Figura 18 - Sonda

No programa Delft3D foram inseridos observation points, sendo as coordenadas dos mesmos obtidas através de DGPS aquando da colocação da sonda (figura 19). Assim, e através do módulo Quickplot e do parâmetro WaterLevel foi possível obter a elevação para cada ponto observado (Anexo 3 – figura 60).

Figura 19 - Equipamento DGPS

A sonda foi colocada em dois locais de Lanheses, um em Vila Mou e o último em Cardielos (figura 21).

A sonda foi amarrada a estruturas existentes ou através de uma estrutura metálica de fixação colocada no leito do estuário (figura 22).

Figura 21 - Estrutura de apoio à fixação na zona de Cardielos

Figura 22 - Sonda amarrada a estrutura existente

O trabalho de campo foi realizado entre o dia 6-7-2015 e o dia 11-7-2015 (anexo 2). Utilizou-se previsões da maré para Viana do Castelo realizadas com baUtilizou-se nas componentes harmónicas da maré. Estes valores foram considerados para definir os níveis de maré na fronteira de jusante do modelo para o cenário de calibração. Foram também consultados os dados do sítio SNIRH, observando o caudal efluente da barragem do Touvedo no mesmo período de tempo. Contudo os valores foram nulos por não se efetuarem descargas ou produção de energia no período de monitorização.

3.6.Calibração do modelo

Com a obtenção dos valores da oscilação do nível da superfície foi possível, então, realizar a calibração do modelo, utilizando assim as duas baterias de dados, valores observados e simulados. Em Excel foram utilizadas métricas de cálculo e análises gráficas para perceber o que alterar no modelo e para ter a perceção da dimensão da diferença entre o simulado e observado. Foram utilizadas quatro métricas: o modelo de eficiência de Nash-Sutcliffe (NSE) (equação 23), a soma das diferenças entre valores simulados e valores observados (BIAS) (equação 24), raiz quadrada do erro quadrático médio (RMSE) (equação 25) e por último a média do erro absoluto (MAE) (equação 26) (Gibertoni, et al., 2014).

!@Œ = 1 − ∑(Ž•$Ž0_∑(Ž$Ž;0 (23)

•‘’@ =_“% (∑ ”• − ∑ ” 0 (24)

•b@Œ = –_“% (∑ ”• − ∑ ” 07 (25)

b’Œ =_“% ∑—”• − ”— (26)

Durante a realização da primeira análise foi detetado um erro sistemático presente em todos os dados observados. Este erro traduzia-se numa diferença sistemática entre valores simulados e valores observados. Para resolver este erro foi atribuído um valor obtido através da média do erro entre os picos de maré dos resultados com os picos de maré do hidrográfico do instituto hidrográfico. O valor foi então subtraído aos valores observado a sua existência deve se a um possível erro no referencial vertical utilizado. Após esta correção, foi analisada e desenvolvida a calibração, alterando assim dois parâmetros do modelo, o coeficiente de rugosidade e o coeficiente de viscosidade turbulenta horizontal.

As condições fronteiras utilizadas foram water level entre dia 05/07/2015 e 11/07/2015 (anexo 2), para a fronteira de jusante, foi utlizado total dischargecom um caudal constante de 50 m3/s, não foi colocado o caudal real do mesmo período de tempo devido a uma falha temporal de valores no sitio consultado.

3.6.1.Resultados da calibração

Como anteriormente mencionado foram calculados os níveis da maré para a fronteira de jusante durante os 7 dias de trabalho de campo, representados na tabela 2.

Tabela 2 - Nível de Maré utilizado

Após a simulação do cenário 1, calibração, foram criados gráficos que permitissem fazer uma análise visual dos resultados, somente com as duas séries de dados, observados e simulados. Durante o processo de calibração foram efetuadas seis simulações, variando os coeficientes anteriormente referidos, sempre com o intuito de aproximar ao máximo os valores simulados dos observados. Para a criação destes gráficos foram desconsiderados os valores em que a sonda não se encontrava submersa, justificando assim as falhas de valores nas zonas inferiores das curvas de valores.

Devido ao grande número de testes realizados, e ao número de sobreposição de linhas que provocavam nos gráficos correspondentes, optou-se por colocar as duas simulações com melhores aproximações. Porém, uma análise gráfica é falível pois é impossível determinar o erro ou o grau de concordância entre as séries de dados. Desta forma, foram utilizadas métricas para essa análise ser fácil e válida, presentes nas respetivas figuras 23,24,25 e 26.

É claramente percetível a boa aproximação existente em todos os pontos de observação e a qual é correspondida com os valores de erro e de aproximação. O primeiro ponto de observação possui um valor da média do erro médio (MAE) de 0,1 m, o segundo de 0,16 m, o de Vila Mou de 0,07 m e por último de Cardielos com 0,2 m. Segundo a métrica NSE todos os pontos de

-2,00 -1,50 -1,00 -0,50 0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 0 5 -0 7 -2 0 1 5 0 0 :0 0 0 6 -0 7 -2 0 1 5 0 0 :0 0 0 7 -0 7 -2 0 1 5 0 0 :0 0 0 8 -0 7 -2 0 1 5 0 0 :0 0 0 9 -0 7 -2 0 1 5 0 0 :0 0 1 0 -0 7 -2 0 1 5 0 0 :0 0 1 1 -0 7 -2 0 1 5 0 0 :0 0 1 2 -0 7 -2 0 1 5 0 0 :0 0 Metros Data Hora

Nivel Máre de 05-07-2015 a 12-07-2015

observação possuem uma aproximação superior a 90%, o que se traduz num resultado bastante aceitável.

Figura 23 - Calibração ponto de observação de Lanheses 1

Figura 25 - Calibração ponto de observação de Vila Mou

CAPÍTULO 4. RESULTADOS E DISCUSÃO

Com o intuito de analisar algumas das mais importantes variáveis que influenciam a hidrodinâmica e a morfodinâmica do sistema estuarino simulado foram organizados dezoito cenários de simulação. Neste capítulo encontram-se expostas as razões das opções tomadas em cada cenário e os resultados dos mesmos subdivididos em categorias, tais como nível da superfície livre, velocidade, erosão/sedimentação e transporte sedimentar. É importante salientar que as simulações das quais resultaram os diversos resultados agora dispostos, tiveram uma a duração média de 3 horas, com um processador Intel Core i7 1.73GHz, de tempo de cálculo por cenário, com um intervalo de integração de 0,1 min.

4.1.Cenários de modelação

Para a criação dos cenários de estudo (tabela 3) foi variado o tipo de maré e o caudal a montante. Poderiam ter sido considerados valores referentes aos sedimentos, como concentração ou massa volúmica, mas tal não foi realizado por não haver dados que permitam inferir da gama de valores existentes no estuário em estudo. Os valores utilizados foram: concentração de sedimentos de 0,5 kg/m3 _{e massa volúmica de 2650 kg/m}3 _{tendo como fonte o trabalho realizado}

por Almeida, 2015, para o estuário do rio Douro. Sendo os restantes valores utilizados os que são admitidos inicialmente pelo Delf3D.

Os dados referentes aos tipos de maré foram obtidos do mesmo modo que para a calibração, através das componentes harmónicas da maré para Viana do Castelo. Foram criadas três séries de dados referentes a maré viva, maré morta e maré intermédia (Anexo 2).

Para a fronteira de montante foi considerado o caudal efluente na barragem de Touvedo ao longo dos anos em que há registo, 17 anos, e assim através da análise em ambiente Excel optou-se por 38)X/*; 400)X/*; 800 )X/* ; 3200 )X/*. O 1º valor de caudal aconteceu ou foi superado durante 50% do período considerado, o segundo valor em cerca de 1%, o que equivale a três vezes por ano em média e o caudal de 800 e )X/* em 0,09% do tempo. Foi também