1Identificação

2Objetivos e contexto do projeto

Este trabalho faz parte do Projeto Baías do Brasil, que objetiva disponibilizar bases de dados e mapas necessários para que o interessado possa iniciar trabalhos de modelagem. E Assim, facilitar e estimular aplicações de modelagem computacional em análises de hidrodinâmica ambiental em diferentes corpos hídricos do Brasil.

¹Rosman, P.C.C. – Modeling Shallow Water Bodies via Filtering Techniques. Ph.D. thesis Civil Engineering Department, Massachusetts Institute of Technology, 1987.

3Características da área de estudo

O Sistema Lagunar Maricá-Guarapina (SLMG) está localizado no município de Maricá – RJ, entre as latitudes 22°57'34.00" e 22°55'2.32" Sul e longitudes 42°53'7.95" e 42°41'41.35" Oeste. Esse sistema é composto por quatro lagunas costeiras interligadas por canais, e tem sua única ligação com o mar através do Canal de Ponta Negra, canal artificial construído em 1951 que hoje se encontra parcialmente assoreado (Cruz A. C., 2010).

A área total do espelho d’água do sistema é de cerca de 34km² distribuído nas seguintes lagoas: Lagoa de Maricá (≈ 18km²), Lagoa da Barra (≈ 8km²), Lagoa do Padre (≈ 2km²) e Lagoa de Guarapina (≈ 6km²). Essas lagoas são corpos d’águas rasos, com profundidades médias da ordem de 1m (Cruz, Júnior, de Barros, Argento, & Mayr, 1996) (Figura 1).

O complexo lagunar é de grande importância socioeconômica para o município, visto que nas lagoas se desenvolvem diversas atividades relacionadas ao lazer, turismo e a pesca. A sudoeste do sistema encontra-se a Área de Preservação Ambiental de Maricá (APA Maricá), criada pelo DECRETO Nº 7.230 de 23 de abril de 1984, com uma área de 970 hectares.

Nas últimas décadas, alterações no uso e ocupação do solo da bacia hidrográfica e o crescimento urbano no entorno das lagoas, tem aumentado o aporte de sedimentos e nutrientes no sistema. Isso, associado as baixas profundidades das lagoas e a baixa renovação das águas, tem proporcionado o assoreamento e a eutrofização desse corpo d’água (Cruz, Júnior, de Barros, Argento, & Mayr, 1996).

Neste contexto, estudos sobre a circulação hidrodinâmica e taxa de renovação da água nesta região podem auxiliar na definição de áreas críticas de poluição, onde a circulação hidrodinâmica com a renovação da água das lagoas ocorridas naturalmente não são suficientes para diluir a poluição recebida, ou mesmo dispersá-la.

4Modelagem Digital do Terreno

O primeiro passo para análises de hidrodinâmica ambiental em uma região é a modelagem digital do terreno. Essa etapa, no contexto de modelagem, inclui a definição do domínio de interesse, discretização desse domínio e caracterização do terreno com dados de batimetria e rugosidade de fundo. Nos itens a seguir, descreve-se o que foi feito para o Sistema Lagunar Maricá-Guarapina.

4.1Definição do domínio de interesse

A definição do domínio de modelagem compreende a etapa inicial de construção do modelo. Esse domínio é limitado por contornos terrestres e abertos. Em geral contornos abertos têm fluxo livre, mas níveis especificados, e usualmente delimitam o encontro da massa de água modelada com a massa de água exterior.

O contorno de terra representa as margens de baías ou lagoas, seções de rios ou canais e margens de ilhas que estão dentro do domínio de modelagem. Já o contorno de água delimita o domínio de modelagem não prescrito pelo contorno físico, como é o caso de entradas de baías e estuários. O alcance de ambos contornos devem ser pensados de acordo com o interesse específico de cada modelagem.

Para o Sistema Lagunar Maricá-Guarapina, ambos os contornos foram definidos a partir de imagens do Google Earth. O mapa base utilizado na modelagem foi elaborado no programa Surfer. Na Figura 2 está representado o mapa base gerado, que inclui o domínio de modelagem e áreas adjacentes. Destaca-se que o mapa possui espaços para inclusão de escalas de cores e legendas para os resultados que serão apresentados no mesmo.

4.2Malha de discretização

Após exportar o mapa base e seus respectivos contornos para o SisBaHiA^®, foi confeccionada a malha de elementos finitos utilizada na discretização do domínio espacial do modelo, Figura 3. A malha do domínio resultou em 1067 elementos totais, sendo todos esses elementos quadrangulares, e contendo um total de 5120 nós de cálculo, como mostra o quadro de informações na tela inicial do item "Malhas & Domínios de Modelagem", Figura 4. Esta tela reúne estas informações assim que a malha é criada no item "Modelagem" encontrado no canto superior direito da tela inicial do SisBaHiA^®.

4.3Batimetria

Os dados batimétricos conhecidos de todas as lagoas do sistema são apresentados na “Carta Náutica das Lagoas de Maricá” (Figura 5) datada da década de 90 pela ONG Lagoa Viva e editados cf. descrito em Rosman (2007). Para a área costeira foram utilizados os dados batimétricos da Carta Náutica 1506, Proximidade da Baía de Guanabara, da Marinha do Brasil (Figura 6), disponíveis na página do Centro de Hidrografia da Marinha².

² https://www.marinha.mil.br/chm/dados-do-segnav-cartas-raster/proximidade-da-baia-de-guanabara

Os dados de batimetria foram reunidos, organizados, e, posteriormente, interpolados na malha de discretização através do SisBaHiA^®. Adotou-se o método Kriging para essa interpolação, a qual é realizada pelo programa Surfer. O mapa com as batimetrias resultantes para o domínio de modelagem está disposto na Figura 7.

Os dados interpolados de batimetria utilizados na modelagem podem ser extraídos acessando a base de dados no SisBaHiA^® em Malha & Domínios de Modelagem na aba Nós, e clicando posteriormente com o botão direito na tabela mostrada na Figura 8.

4.4Rugosidade equivalente de fundo

A tensão de atrito no fundo depende da amplitude da rugosidade equivalente de fundo, que é determinada em função da natureza do sedimento do fundo da área a ser modelada. Os valores desta rugosidade devem ser dados ao modelo hidrodinâmico em todo seu domínio. Estes são adotados através de uma aproximação seguindo os valores sugeridos por Abbott & Basco (1989) adaptado por Rosman (2018), como mostrado na Tabela 1.

Foi utilizada uma rugosidade equivalente de fundo padrão de 0.03m, cf. o adotado por Rosman (2007). A referida rugosidade equivale a um leito de sedimentos com rugas e similares equivalente a predominância de areias médias.

Os dados interpolados de rugosidade equivalente de fundo utilizados na modelagem podem ser extraídos acessando a base de dados no SisBaHiA^® em Malha & Domínios de Modelagem na aba Nós, e clicando posteriormente com o botão direito na tabela mostrada na Figura 8.

5Modelos desenvolvidos

Os modelos desenvolvidos para modelagem da hidrodinâmica e de aspectos de qualidade de água no Sistema Lagunar Maricá-Guarapina fazem parte do SisBaHiA^® - Sistema Base de Hidrodinâmica Ambiental. O SisBaHiA^® encontra-se continuamente sendo ampliado e aperfeiçoado na COPPE/UFRJ desde 1987, através de várias teses de mestrado e doutorado, além de projetos de pesquisa envolvendo modelagem de corpos de água naturais. Maiores detalhes sobre o SisBaHiA^® podem ser obtidos no site www.sisbahia.coppe.ufrj.br. Os modelos adota-dos nesse projeto são:

1. Modelo Hidrodinâmico: é um modelo de circulação hidrodinâmica 3D ou 2DH otimizado para corpos de água naturais. Resultados podem ser tanto 3D quanto 2DH, dependendo dos dados de entrada. “Otimizado” é usado no sentido de um modelo planejado para ótima representação de escoamentos em domínios naturais com geometria complexa. Processos de calibração são minimizados devido a fatores como: discretização espacial via elementos finitos quadráticos e transformação s, permitindo ótimo mapeamento de corpos de água com linhas de costa e batimetrias complexas, campos de vento e atrito do fundo podendo variar dinamicamente no tempo e no espaço, e modelagem de turbulência multi-escala baseada em Simulação de Grandes Vórtices (LES). Pode-se incluir efeitos de gradientes de densidade acoplando modelos de transporte de sal e calor dos Modelos de Qualidade de Água, vide abaixo, a modelos hidrodinâmicos. Pode-se também incluir evolução morfológica do fundo, com acoplamento de Modelos de Transporte de Sedimentos, de Geração e de Propagação de Ondas descritos abaixo. Permite análises determinísticas e estatísticas nos resultados obtidos. No exemplo deste relatório, adotou-se modelo 2DH sem gradientes de densidade.
2. Modelos de Transporte Eulerianos:são modelos de uso geral para simulação de transporte advectivo-difusivo com reações cinéticas de escalares dissolvidos ou partículas em suspensão na massa d’água. Os modelos podem ser aplicados a escoamentos 2DH, ou em camadas selecionadas de escoamentos 3D. Permitem a utilização de praticamente qualquer tipo de reação cinética de decaimento ou produção do contaminante sendo modelado, inclusive através de curvas de decaimento fornecidas através de tabelas e valores. Pode-se também simular processos de perda ou ganho de massa por sedimentação e erosão. Este modelo opera o transporte de sedimentos coesivos com evolução morfológica do fundo. Permite análises determinísticas e estatísticas nos resultados obtidos.

5.1Cenários de Modelagem

Para uma melhor caracterização da hidrodinâmica e da renovação das águas de corpos hídricos, é interessante apresentar análises com diferenças sazonais que consideram diferentes padrões de ventos, marés e descargas fluviais. Sendo assim, foram propostos dois cenários de simulação. O primeiro cenário proposto foi janeiro de 2018, representativo de verão, e o segundo cenário foi julho de 2018, representativo de inverno. O ano escolhido está de acordo com a disponibilidade de dados mais recentes.

A Figura 9 mostra a tela inicial do modelo hidrodinâmico do SisBaHiA^® com as configurações iniciais da simulação de janeiro, sendo as mesmas aplicadas para o modelo de julho. O passo a passo para a montagem de um modelo está presente nos próximos itens de forma simplificada. Para maiores detalhes nesta montagem e também especificações de ferramentas presentes neste modelo acesse o link: http://www.sisbahia.coppe.ufrj.br/ManualSisbahia.htm do "Manual do Usuário do SisBaHiA^®".

5.2Dados oceanográficos

Os itens a seguir descrevem os dados oceanográficos inseridos no modelo bem como explica a metodologia utilizada para a melhor representação da hidrodinâmica no domínio de modelagem.

5.2.1Marés

A série de maré inserida na fronteira aberta refere-se à maré astronômica representativa do domínio de modelagem para os cenários considerados, Janeiro e Julho de 2018

A maré astronômica foi gerada a partir das constantes harmônicas dos dados de maré calibrados e verificados da região costeira de Itacoatiara e Itaipuaçu. As constantes harmônicas utilizadas são as apresentadas na Tabela 2. Tais dados foram calibrados em estudos anteriores relativos a modelagens na região da Baía de Guanabara. Nesses estudos, as fronteiras abertas dos modelos atingiam a região de Itaipuaçu, e os dados de maré foram verificados e calibrados de modo a reproduzir as marés medidas no interior da Baía de Guanabara com diferenças da ordem de 1% (Rosman, 2007).

No Sistema Lagunar Maricá-Guarapina a maré meteorológica não apresenta influência significativa.De acordo com Kjerfve, Knoppers, et al., (1990) a Lagoa de Guarapina apresenta 94% da amplitude de maré amortizada e filtrada ao longo do canal de Ponta Negra.Resultando em amplitudes menores do que 0.03m na referida lagoa.Reforçando tal afirmação Silvestre, Silva, et al., (2017) também encontrou uma baixa resposta as variações diárias da maré para a Lagoa de Maricá.

A Figura 10 mostra onde estas informações são adicionadas ao modelo hidrodinâmico no SisBaHiA^®. Na Figura 11 e na Figura 12 estão as séries de elevação da maré na fronteira aberta para os meses de janeiro e julho de 2018, respetivamente.

Para extrair os dados de elevação fornecidos na fronteira aberta nesta modelagem, basta abrir a base de dados no SisBaHiA^®, acessar o Modelo Hidrodinâmico de Janeiro ou Julho na aba Fronteiras\Contornos\Aberto, e clicar com o botão direito na tabela de Tempo(s) e Elevação mostrada na Figura 10.

5.3Dados hidro-meteorológicos

Este item reúne dados sobre dados hidrológicos, vazões afluentes e ventos inseridos para a modelagem hidrodinâmica e suas respectivas fontes e metodologia aplicada.

5.3.1Dados hidrológicos e de vazões afluentes

Os dados de balanço hídrico do Sistema Lagunar Maricá-Guarapina,de acordo com Muehe e Valentini, (1998), apresentam precipitação e evaporação médias de 1,3m/m²/ano.Dessa forma, para o objetivo do presente estudo, consideramos os efeitos desses parâmetros irrelevantes.

Não foram encontrados dados disponíveis para as vazões fluviais dos principais rios contribuintes do Sistema Lagunar Maricá-Guarapina para serem introduzidos na modelagem. Sendo assim, foram estimadas vazões fluviais através de metodologias tipo chuva × vazão, com base nas áreas das bacias dos principais rios afluentes, e supondo uma precipitação anual de 1300mm/ano que levam a valores de vazão total afluente por volta de 2 m³/s (Rosman, 2007). Cabe ressaltar que foram considerados como principais afluentes pequenos rios e canais afluindo na Lagoa de Maricá e Lagoa de Guarapina cf. Figura 13.

Para introduzir os rios na modelagem utilizou-se tipo de nó “P9” que permite modelar, através de um talude prescrito, o efeito da maré sobre o fluxo do rio, invertendo o sentido do fluxo ou diminuído a sua velocidade. A intrusão deste efeito da maré em rios é importante quando o efeito da maré for além do ponto final do rio a montante considerado na modelagem, como ocorreu no caso que está sendo apresentado neste relatório.

Neste trabalho foram definidos taludes de forma preliminar. Na Ref. Técnica do SisBaHiA^®, v. Rosman (2018), essa condição é explicada em maior detalhe, sendo apresentada metodologia de estimativa de taludes.

No SisBaHiA^®, dados de vazão têm que ser prescritos em m³/s/m distribuída em nós de um segmento de fronteira. A vazão é inserida no modelo como uma distribuição parabólica quadrática pelo lado do respectivo elemento, centrada no meio do lado. Os rios afluentes ao Sistema Lagunar foram representados com apenas um elemento na seção. A vazão foi inserida no nó central do lado do elemento na fronteira, seguindo a relação a seguir:

Onde q é a vazão distribuída no lado do elemento (m³/s/m), Q é a vazão fluvial (m³/s) e L é a largura da seção transversal do elemento (m).

Essas informações são definidas na aba Fronteiras/Contornos/Terrestres, como mostra a imagem da tela do SisBaHiA^® na Figura 14.

Como percebe-se na Figura 14, os valores de vazão são acompanhados por um sinal negativo, que indica que o fluxo está entrando no domínio, ou seja, é um afluxo. Se fosse positivo, indicaria que o fluxo está saindo do sistema, ou seja, um efluxo. Esse sinal é sempre referente ao sentido do vetor normal, que aponta para o exterior da malha, no respectivo lado. Maiores explicações podem ser encontradas na Ref. Técnica do SisBaHiA^®, v. Rosman (2018). Na Tabela 3 são apresentados os valores de vazão média (m³/s) adotados para afluentes modelados.

5.3.2Ventos

A tensão de atrito do vento na superfície livre é calculada pelo modelo quando se prescreve valores de velocidades em estações localizadas sobre o domínio de modelagem, e o modelo interpola valores de direção e intensidade dos ventos para cada nó da malha. Com o objetivo de introduzir na modelagem um vento variável no tempo e uniforme no espaço, adotou-se séries temporais de uma estação, como mostra a tela do SisBaHiA^® na Figura 15. A estação, ilustrada na Figura 16, possui séries temporais de intensidade, velocidade e direção para o tempo total de simulação.

Os dados de ventos utilizados neste trabalho são dados de reanálise disponibilizados pelo site http://apps.ecmwf.int/datasets/data/interim-full-daily/levtype=sfc/ do ECMWF – European Comunity Medium scale Weather Forecast. As séries temporais obtidas contem valores a cada seis horas de velocidades das componentes Leste (U) e Norte(V) dos ventos. Repare na Figura 15, que os dados inseridos no modelo estão na forma de intensidade de velocidade e direção dada pelo azimute. O formato de entrada no modelo pode ser dessa forma, ou com valores de intensidade e ângulo com o eixo Leste-Oeste (x) indicando a direção do vento. A conversão dos formatos de dados foram realizadas através de ferramentas de conversão do SisBaHiA^®.

Para extrair os dados de vento inseridos na modelagem nas estações definidas na Figura 16, basta abrir a base de dados no SisBaHiA^®, acessar o Modelo Hidrodinâmico de Janeiro ou Julho na aba Variáveis Meteorológicas\Vento e clicar com o botão direito na tabela de Tempo, Intensidade e Direção mostrada na Figura 15.

A Figura 17 e Figura 18 ilustram os padrões de ventos obtidos para os meses de janeiro e julho de 2018 que foram utilizados para as modelagens deste projeto. Os ventos possuem certa predominância na direção sul e velocidade máxima em janeiro de 5.79 m/s e julho de 6.93 m/s. Os ventos mais intensos no mês de julho são de sul, devido a maior passagem de frentes frias durante o período de inverno. Nota-se um padrão usual de brisa, com ventos fracos à noite e na madrugada e ventos mais fortes soprando durante as tardes.

5.4Estações

Dentro do domínio de modelagem, escolheram-se algumas estações, onde foram gravados resultados temporais a cada trinta minutos, que estão dispostas na tabela a direita da imagem da Figura 19. Esta tabela indica as coordenadas dos nós em que estão alocadas. Para os resultados temporais das taxas de renovação e idade da água foram utilizadas as mesmas estações. A localização das mesmas estão distribuídas no mapa da Figura 20.

5.5Calibração

A calibração de modelos de hidrodinâmica ambiental é um processo que segue três passos, para mais detalhes, consulte a Referência Técnica do SisBaHiA^®:

Calibração geométrica: aferir se a modelagem digital do terreno do domínio de modelagem, garantindo que este represente adequadamente os contornos e batimetrias da região de interesse.

Calibração hidrodinâmica: aferir se os modelos hidrodinâmicos representam adequadamente a variação de níveis de água e correntes na região de interesse, sob diversas condições, sejam elas marés, ventos e vazões. É importante que estas informações sobre as forçantes da circulação hidrodinâmica local estejam corretas.

Calibração de modelos de transporte de escalares: aferir se os modelos de transporte escalares são capazes de representar adequadamente as concentrações de parâmetros de qualidade de água ou vazões sólidas ao longo do tempo. As informações sobre fontes poluentes e sobre taxas de reação de parâmetros não conservativos, como de coliformes tolerantes, sejam corretas.

Uma boa calibração do passo 3 depende fortemente de uma ótima calibração do passo 2, que só é conquistada se a calibração do passo 1 for executada com sucesso. Para o trabalho apresentado neste relatório, o nível de água do modelo hidrodinâmica foi calibrado em função da previsão de maré gerada a partir das constantes harmônicas dos dados de maré calibrados e verificados da região costeira de Itacoatiara e Itaipuaçu durante o período simulado. A Figura 21 sobrepõe a variação do nível de água calculada pelo modelo para o mês de janeiro de 2018 na estação Mar e a previsão de maré para o período nesse mesmo ponto. Nota-se que o modelo reproduziu bem a maré prevista para a região. Não foi possível realizar calibração dos modelos de transporte de escalares devido à falta de dados.

6Modelo de transporte euleriano

Os cálculos da taxa de renovação e idade da água foram realizados através do Modelos de Transporte Eulerianos do SisBaHiA^®. Esse pode ser utilizado para análises gerais de qualidade de água alterada por algum escalar cuja concentração não interfere na hidrodinâmica. O modelo admite ampla variedade de tipos de reações cinéticas entre a substância e água do meio receptor.

Foram modelados dois cenários para cada uma das análises. Um cenário de verão, calculado a partir da modelagem hidrodinâmica do mês de janeiro de 2018, e outro cenário de inverno, calculado a partir da de julho de 2018. A imagem da Figura 22, mostra a tela inicial deste modelo com as especificações da modelagem de verão da taxa de renovação de forma representativa.

6.1Taxa de renovação

Para preparar o modelo da taxa de renovação marca-se no instante inicial um valor de referência igual a zero para as águas que estão dentro do sistema. A renovação devida ao efeito da maré considera que a água que entra no domínio pela fronteira aberta possui valor de referência igual a cem. Para o aporte fluvial, considera-se que as vazões fluviais afluentes ao domínio, na cabeceira dos rios, possuem o valor cem também. A renovação total das águas é calculada a partir da combinação destas duas condições iniciais.

Desta forma, a porcentagem de água renovada no domínio será diretamente proporcional a esta concentração, variando de 0% a 100%, sofrendo apenas advecção e dispersão em todo domínio. Ao longo do tempo de simulação, trocas de águas e processos de mistura ocorrem desde o instante inicial, originadas das bacias hidrográficas e da região costeira. Os valores resultantes destas simulações são interpretados como porcentagem de água nova que entrou na região de interesse, delimitada pelo sistema lagunar.

É válido ressaltar que as águas consideradas “novas” não são necessariamente águas limpas. O modelo em questão não representa a qualidade das águas, pois não foram prescritas quantidades de matéria orgânica ou nutrientes afluentes no sistema, por exemplo. A Figura 23 mostra a condição inicial dada ao Modelo de Transporte Euleriano que representa a taxa de renovação espacial do domínio de modelagem. Foram rodados cenários de verão e inverno durante noventa dias, no qual trinta dias correspondem aos dias de simulação do modelo hidrodinâmico, sendo reproduzidos em ciclo até completar os noventa dias os resultados obtidos no modelo hidrodinâmico.

Mesmo rodando o modelo da Taxa de Renovação por um tempo "suficientemente longo" as concentrações não tenderão a 100% em todo o domínio por se tratar de um sistema lagunar de baixa circulação hidrodinâmica e restrita ligação com o mar. Mais explicações sobre a concepção do modelo de Taxa de Renovação podem ser encontradas no capítulo 5 da Ref. Técnica do SisBaHia^®, v. Rosman (2018).

6.2Idade da água

A análise da idade da água permite analisar quanto tempo a água permanece em diferentes setores ao longo do tempo. Este tempo é estimado a partir do decaimento de uma substância passiva marcadora de idade presente na água. Para poder determinar o tempo de decaimento, é obrigatório que a substância marcadora de idade tenha reação cinética de decaimento de primeira ordem, com taxa constante de k / 0, sem outros efeitos de perdas e ganhos de massa.

Para conceituar o cálculo, é considerado um volume de água bem misturado com concentração inicial C₀ de tal substância. Sendo a cinética de decaimento de primeira ordem, a variação no tempo da concentração da substância marcadora de idade, C_(t), é dada por: dC ⁄ dt = -kC, cuja solução analítica leva a: C(t) = C₀ exp⁡(-kt) e, portanto, t = -ln⁡ (C ⁄ C₀) ⁄ k.

Conhecida a concentração inicial C₀ e uma concentração C registrada posteriormente, determina-se diretamente o tempo de decaimento decorrido entre o instante inicial e o instante do registro de C. A diferença entre estes dois instantes define a “Idade da Água” no instante do registro.

Como se trata de um corpo de água natural, com entradas de água nova com C = C₀ em diferentes pontos e tempos, bem como saídas de água que já sofreram decaimento e que apresentam concentrações diferentes em diversos pontos e tempos, a concentração é função do tempo e do espaço, C (x,y,t). Consequentemente, a Idade da Água será uma função variando no espaço e no tempo: I_A (x,y,t) = ( -ln ⁡(C (x,y,t)) / C₀) ⁄ k.

Pelo exposto, para preparar o modelo de idade da água marca-se no instante inicial C(x,y,t₀) = C₀ = 1 em todo o domínio de modelagem, Figura 24. Consequentemente, no início I_A = 0, pois o ln (1) = 0 em todos os locais. As novas águas que entram no domínio pelos principais afluentes tem idade zero e, por isso, devem ter concentração de substância marcadora de idade igual a um.

A medida em que as águas iniciais e as águas novas com I_A = 0 vão se misturando no domínio de interesse e sendo transportadas, o valor de C vai diminuindo em cada local em função do processo de decaimento. Com isso, o valor de I_A torna-se diferente em cada ponto, pois depende da magnitude das correntes e da turbulência no local.

Maiores explicações sobre a concepção do modelo de Idade da Água podem ser encontradas no capítulo 5 da Ref. Técnica do SisBaHiA^®, v. Rosman (2018).

7Resultados

Abaixo estão dispostos os resultados obtidos inicialmente pela modelagem hidrodinâmica e posteriormente os da taxa de renovação e idade da água dentro do domínio tanto espaciais quanto temporais.

7.1Hidrodinâmico

A seguir, mostram-se os resultados através de animações que representam as velocidades de correntes obtidos nas modelagens hidrodinâmicas para os meses de janeiro, Figura 25, e julho, Figura 26, de 2018. As isolinhas das animações representam o módulo da velocidade, vetores as correntes, onde as setas indicam o sentido das correntes e tamanho a intensidade das mesmas.

As animações mostram um dia corrido de resultados horários para dias onde houveram correntes mais intensas dentro do sistema lagunar. Esta análise indica o percurso das águas em momentos de marés enchente e vazante.

7.2Taxa de Renovação

Os resultados da taxa de renovação das águas serão apresentados em forma de animação das isolinhas de renovação para cada dia de simulação para os cenários de verão e de inverno. Observa-se que a entrada de águas novas no sistema lagunar dar-se pela maré e pelos rios afluentes.

A Lagoa de Maricá tem sua renovação feita principalmente pelos rios que deságuam na região; as Lagoas do Padre e Guarapina pelo canal de Ponta Negra, ou seja regime de maré; e a Lagoa da Barra é a que apresenta a menor taxa de renovação, nos dois cenários simulados, nesses 90 dias tendo aproximadamente 10% de novas águas no período. Nos meses representativos de verão, a Lagoa da Barra apresentou a menor taxa de renovação (Figura 27) enquanto que na simulação de inverno as menores taxas foram observadas além da Lagoa da Barra na Lagoa do Padre também (Figura 28).

Comparando o instante final de ambas modelagens na Figura 29, é possível notar que as águas do Sistema Lagunar Maricá-Guarapina estão mais renovadas na região próxima à sua embocadura do canal de Ponta Negra devido a influência das águas do mar que entram a cada ciclo de maré. Como mostrado no item 5.2.1 no cenário de verão a forçante da maré astronômica em janeiro foi mais significativa do que em julho resultando em uma renovação maior no verão. Finalmente, observa-se que a região com menor taxa de renovação é a região da Lagoa da Barra devido a uma menor exposição de mistura com águas consideradas novas.

Nos gráficos da Figura 30 e da Figura 31 estão plotadas as séries temporais da taxa de renovação para as estações definidas na Figura 20. Na estação Lagoa de Guarapina, a mais próxima à embocadura do Canal, as águas renovam-se principalmente pelo efeito de subida e descida da maré. Para ambos cenários simulados as estações mais afastadas da embocadura apontam que há uma menor influência da maré na renovação destes regiões. Na estação Lagoa de Maricá, nos dois cenários, praticamente não há resposta a oscilação da maré conforme esperado devido a grande amortização da mesma (Kjerfve, Knoppers, Moreira, & Turcq, 1990).

A renovação das águas devido ao aporte dos rios destacam-se mais nas Lagoas de Maricá e Guarapina. Na Lagoa de Maricá, na região próxima ao desemboque do Rio Mumbuca, é possível observar uma renovação de aproximadamente 60%. Já na Lagoa de Guarapina, na região próxima ao deságue do Rio Doce, pode-se observar renovação de aproximadamente 95% (Figura 29).

7.3Idade da Água

As animações a seguir mostram os resultados espaciais em isolinhas que representam a idade da água em todo domínio de modelagem. A medida que o tempo de simulação decorre, as águas de dentro do domínio vão ficando mais velhas e misturando-se com as águas novas afluentes. Desta forma, as águas que mais se renovam ficam menos velhas, enquanto que as águas que menos se renovam envelhecem a medida que o tempo de simulação avança.

As animações da Idade da Água ao longo de toda a modelagem são interessantes para observar como é atingido o resultado final em cada uma das modelagens. Porém, o resultado mais importante desta análise é o padrão final da Idade da Água que é atingido quando se alcança o equilíbrio ou período de interesse. Neste momento, a Idade da Água de um determinado ponto apresenta somente variações a respeito do seu valor após 90 dias induzidas pela variação da maré, conforme pode ser observado nas animações. Na Figura 32 e Figura 33 se apresentam as animações referentes a 25h, um ciclo completo de maré do último dia de modelagem, para o caso de verão e inverno quando o período de 90 dias é atingido.

Assim como pôde ser notado no modelo de taxa de renovação, as águas da Lagoa da Barra são as menos renovadas e, portanto, as mais velhas. As águas desta Lagoa não tem muita influência das águas afluentes dos rios e nem as do mar. As águas da Lagoa de Guarapina possuem águas mais novas, principalmente na simulação de verão, pois as vazões são maiores que as do inverno, o que leva a uma maior renovação geral do sistema. Já a região próxima à embocadura está sempre circundada de águas mais novas devido à existência de águas provenientes do mar, o que permite uma maior mistura de águas de dentro do sistema com o mar.

Os mapas representados na Figura 34 para o instante final desta análise, evidenciam que na Lagoa da Barra, principalmente no inverno, encontram-se as águas mais velhas do sistema.

Nos gráficos da Figura 35 e da Figura 36 estão plotadas as séries temporais da idade da água para as estações definidas na Figura 20, que quantificam a idade observada nos mapas acima. Na medida que a simulação decorre, a tendência é que estas curvas se estabilizem em um valor de idade da água que pode ser considerado o tempo de residência das águas em cada uma das estações.

Nota-se que nas estações mais próximas a embocadura do Canal de Ponta Negra, a idade da água é dominada pelo ciclo da maré. As estações que estão localizadas próximo aos deságues dos rios e canal, possuem uma idade menor que a Lagoa da Barra, principalmente no verão.

Após 90 dias de simulação, nos cenários de inverno e verão, não foi possível observar um equilíbrio tanto na idade da água quanto na taxa de renovação. Esse comportamento é esperado por se tratar de um sistema composto por diversas lagoas com estreitos canais de ligação entre elas e outro canal estreito de ligação com o mar. Todo esse complexo sistema resulta em um ambiente de comportamento hidrodinâmico peculiar que tende a apresentar alta idade da água e baixa renovação, principalmente em sua região central.

As análises de taxa de renovação e idade da água permitem realizar estimativas bastante detalhadas em cada região do Sistema Lagunar Maricá-Guarapina. De acordo com estes dois resultados podemos inferir que regiões com menor renovação das águas e consequente idade média da água elevada, são regiões onde as reações cinéticas são muito importantes e podem envolver processos de eutrofização. Estas características fazem com que as análises de taxa de renovação e idade da água sejam interessantes para análises de qualidade de água de lagoas, baías e estuários.

8Referências

ABBOTT, M. B.; BASCO, D. R.Computational Fluid Dynamics: an Introduction for Engineers. London: Longman Group UK Lmited, 1989.

ANA.(2016). Acesso em 14 de fevereiro de 2016, disponível em Agência Nacional de Águas: http://hidroweb.ana.gov.br/doc/BHASLeste/index.htm

Cruz, A. C. (2010). Análise de intervenções no Sistema Lagunar de Maricá-RJ com auxílio de modelagem hidrodinâmica ambiental. UFRJ/COPPE, Rio de Janeiro.

Cruz, C. B., Júnior, W. d., de Barros, R. S., Argento, M. F., & Mayr, L. (1996). Impacto ambientais no Sistema Lagunar de Maricá-Guarapina. Anais VIII Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto, 137-141.

Kjerfve, B., Knoppers, B., Moreira, P., & Turcq, B. (1990). Hydrological regimes in Lagoa de Guarapina, a shallow Brazilian coastal lagoon. Acta Limnologica Brasiliensia, 3, 931-949.

Muehe, D., & Valentini, E. (1998). O Litoral do Rio de Janeiro: uma caracterização físico-ambiental. (P. P.-S. Cooperação Técnica Brasil-Alemanha, Ed.) Rio de Janeiro: FEMAR.

Rosman, P. C. (2007). Estudos de Hidrodinâmica Ambiental para Desenvolvimentos na APA do Sistema Lagunar de Maricá. Engenharia Costeira & Oceanográfica COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro.

Rosman, P. C. (2018). Referência Técnica do SisBaHiA - Sistema Base de Hidrodinâmica Ambiental. Engenharia Costeira e Oceanográfica. COPPE/UFRJ., Rio de Janeiro. Fonte: www.sisbahia.coppe.ufrj.br/SisBAHIA_RefTec_V9c_.pdf

Silvestre, C. P., da Silva, A. C., da Silva, M. M., Neto, J. B., & Vasconcelos, S. C. (2017). Geomorfologia, Sedimentação e Processos Atuantes na Lagoa de Maricá, Rio de Janeiro. Revista Brasileira de Geomorfologia, 18(2), 237-256.

8.1Outros trabalhos

Estudos de Hidrodinâmica Ambiental para Desenvolvimentos na APA do Sistema Lagunar de Maricá é um exemplo de utilização do SisBaHiA^® que objetivou subsidiar o processo de licenciamento prévio de um empreendimento imobiliário-turístico na APA de Maricá, RJ.

Em www.sisbahia.coppe.ufrj.br, nos itens “Aplicações – Projetos” e “ Pesquisas – Teses”, veja referências de outros trabalhos de modelagem feitos com o SisBaHiA^® envolvendo o Sistema Lagunar Maricá-Guarapina procurando pela palavra ‘Maricá’.

9Reconhecimento

Os seguintes técnicos participaram do desenvolvimento deste trabalho:

• Felipe Bevilaqua Foldes Guimarães, (felipe.bevilaqua@poli.ufrj.br):Graduando em Engenharia Ambiental na Escola Politécnica/UFRJ, participou do desenvolvimento de modelos, elaboração de mapas e gráficos, e edição deste relatório.
• Lidiane dos Santos Lima, (lslima@oceanica.ufrj.br):Oceanógrafa pela UERJ (2007), M.Sc. em Engenharia Costeira e Oceanográfica pela COPPE/UFRJ (2010), D.Sc. em Engenharia Costeira e Oceanográfica pela COPPE/UFRJ (2016) e Especialista em Análise Ambiental e Gestão de Território pela ENCE (2017): participou do desenvolvimento de modelos, elaboração de mapas e gráficos, e edição deste relatório.
• Patricia Auler Rosman, (patrosman@gmail.com): Matemática/Informática na UFRJ (1988), M.Sc em Engenharia de Sistemas na COPPE/UFRJ (1991): Especialista em Tecnologia da Informação, responsável pela manutenção evolutiva do SisBaHiA^®, suporte técnico ao sistema de modelagem.
• Paulo Cesar Colonna Rosman, (pccrosman@ufrj.br): Eng. Civil/Recursos Hídricos na Poli/UFRJ (1977), M.Sc. Eng. Oceânica na COPPE/UFRJ (1979) e Ph.D. em Coastal Engineering – MIT-USA (1987): Coordenador técnico do trabalho.