Modelagem computacional do complexo estuarino de Paranaguá sob a influência de ondas, marés e descarga fluvial

Orientador: Dr. Carlos Domingos Lentini

Orientador : Dr. Mauricio Almeida Noernberg

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Ciências da Terra, Programa de Pós-Graduação em Sistemas Costeiros e Oceânicos. Defesa: Pontal do Paraná, 24/03/2015

Inclui referências : f. 31-35

Resumo: Estuários estão sujeitos a variações nas suas forçantes externas em diferentes escalas de tempo, de algumas horas até a escala de anos. O fluxo de água doce (Qf) é considerado uma das mais importantes fontes de variabilidade, pois influencia o fluxo residual de água; enquanto que a ação de ondas no estuário depende da batimetria em sua desembocadura e atua principalmente na turbulência e na mistura vertical. Estudar esta variabilidade, e a interação destas forçantes, permite entender o padrão geral de circulação dentro do sistema estuarino e o transporte de substâncias dissolvidas, o que permite a criação de estratégias para mitigar danos provocados nestes ambientes em decorrência da ação antrópica. Este trabalho tem como objetivo investigar o impacto do aumento da vazão de água doce e da ação de um campo de ondas realístico na hidrodinâmica e no transporte de sal de um estuário de micromaré subtropical, o Complexo Estuarino de Paranaguá (CEP), considerando a escala de tempo de modulação sizígia-quadratura. O Delft-3D foi utilizado para implementar um modelo baroclínico do Complexo Estuarino de Paranaguá, e os resultados foram extraídos a partir de dois cenários simulados. Este modelo apresenta resolução espacial variável, entre 25 e 300 metros dentro da área de interesse, com 14 camadas verticais do tipo sigma. A rugosidade de fundo foi calculada em função da batimetria e dos sedimentos, e os coeficientes de viscosidade e difusividade horizontais foram obtidos do trabalho de Mayerle et al. (2015). Na vertical, as simulações utilizaram um modelo de fechamento turbulento do tipo k-? (WL|DelftHydraulics, 2006). A implementação utilizada foi validade em relação às marés, velocidade das correntes, características do trem de ondas, e ao gradiente longitudinal de salinidade; utilizando dados disponibilizados pela parceria entre o CEM e a Paranaguá Pilots, dados do Laboratório de Geoquímica e Poluição Marinha (LaGPoM), dados de uma bóia meteo-oceanográfica fundeada no escopo do projeto do INCT-Mar COI, e a literatura disponível na região (Nemes and Marone, 2013; Noernberg, 2001). O modelo apresentou uma boa resposta para todas as propriedades analisadas, com o menor valor encontrado do índice de concordância (Willmott et al., 2012) sendo para a salinidade (dr = 0,73). Referente às correntes, o modelo foi capaz de reproduzir bem a componente longitudinal da circulação (dr = 0,80), porém a componente transversal não apresentou um bom resultado. Isto está possivelmente relacionado ao modelo não conseguir resolver bem os fluxos advindos do Canal da Cotinga, já que a resolução espacial do modelo nesta região é de apenas algumas células, e a área apresenta uma batimetria complexa. Inicialmente, uma simulação de seis meses compreendendo a variabilidade sazonal da descarga fluvial foi realizada, seguida de uma simulação mais curta, compreendendo apenas o período de maior descarga de água doce combinada ao campo medido de ondas. Para cada simulação, um período de spin-up de dois meses foi utilizado para garantir a estabilidade dos campos de salinidade antes dos cenários de interesse. Resultados mostraram que a as marés foram dominantes em determinar a hidrodinâmica da Baía de Paranaguá, com valores do número de Richardson estuarino indicando uma influência 2x maior da maré mesmo em períodos de alta vazão na porção mais a montante do sistema. As ondas atuaram principalmente como uma cerca de energia, reduzindo a magnitude da circulação residual, e afetaram diretamente apenas a estratificação na zona mais externa do estuário. De maneira geral, os bancos arenosos na plataforma interna rasa foram muito eficientes em mitigar a energia das ondas e proteger o estuário em eventos de swell. No tocante aos padrões hidrodinâmicos resultantes, uma circulação residual bidirecional foi verificada tanto na escala vertical quanto horizontal ao longo do gradiente salino do estuário, e o aumento na descarga de água doce não provocou alterações nestes padrões. A descarga de água doce na porção superficial da coluna d'água dominou os processos advectivos do transporte de sal, enquanto a circulação gravitacional e a correlação de maré foram os principais mecanismos de dispersão de sal ao longo deste sistema, o último indicando uma grande importância dos baixios e áreas rasas na hidrodinâmica da Baía de Paranaguá. Dois sistemas de classificação foram testados para o ambiente. O clássico sistema de Hansen and Rattray (1965) classifica o estuário como do tipo parcialmente misturado, e já havia sido utilizado para o CEP (Lana et al., 2001). Usando o sistema de classificação proposto por Geyer and MacCready (2014), o estuário foi caracterizado dentro do regime SIPS, o que indica uma estratificação periódica da coluna d'água ao longo do ciclo de mare. Está classificação é suportada pelos valores obtidos para o número de Simpson, que ficaram no intervalo entre 0,2 e 0,8. Do ponto de vista dinâmico, isso indica um padrão cíclico de destruição e reconstrução da estratificação vertical ao longo do ciclo de maré através da turbulência gerada pela propagação da onda de maré. O resultado deste processo é um estuário mais bem misturado durante as enchentes, e parcialmente misturado durante as vazantes.