INUNDAÇÃO NA RIA DE AVEIRO E NO ESTUÁRIO DO MONDEGO. Relatório 2: modelação da inundação na Ria de Aveiro

Transcrição

1

2

3

4

5 INUNDAÇÃO NA RIA DE AVEIRO E NO ESTUÁRIO DO MONDEGO Relatório 2: modelação da inundação na Ria de Aveiro INUNDATION IN THE RIA DE AVEIRO AND THE MONDEGO ESTUARY Report 2: modeling inundation in the Ria de Aveiro INONDATION DANS LA RIA D AVEIRO ET L ESTUAIRE DU MONDEGO Rapport 2: modélization de l inondation dans la Ria de Aveiro Proc: 0604/541/ 5758

6 Este relatório contou com a colaboração do técnico superior Lourival Trovisco. Proc: 0604/541/ 5758

7 INUNDAÇÃO NA RIA DE AVEIRO E NO ESTUÁRIO DO MONDEGO Relatório 2: modelação da inundação na Ria de Aveiro Índice 1. INTRODUÇÃO ENQUADRAMENTO E OBJECTIVOS ORGANIZAÇÃO DO RELATÓRIO METODOLOGIA APLICAÇÃO DO MODELO NA RIA DE AVEIRO O MODELO SELFE MODELO DIGITAL DE TERRENO CONSTRUÇÃO DA MALHA DE CÁLCULO COEFICIENTES DE ATRITO VALIDAÇÃO DO MODELO DE MARÉ CONDIÇÕES DE FORÇAMENTO RESULTADOS SITUAÇÃO ACTUAL SITUAÇÕES FUTURAS DISCUSSÃO CONCLUSÕES REFERÊNCIAS ANEXO: MODELO HIDRODINÂMICO SELFE A.1 DESCRIÇÃO DO MODELO HIDRODINÂMICO SELFE A.1.1 Formulção Física A.1.2 Formulação Numérica Proc: 0604/541/5758 i

8 INUNDAÇÃO NA RIA DE AVEIRO E NO ESTUÁRIO DO MONDEGO Relatório 2: modelação da inundação na Ria de Aveiro Índice de Figuras Figura 1 Malha de cálculo horizontal e topo-batimetria utilizada no modelo (referida ao nível médio do mar)....5 Figura 2 Exemplos de transições entre a malha das zonas imersas (a azul) e das zonas potencialmente inundáveis (a preto)...6 Figura 3 Ocupação do solo, com base no Corine Land Cover. A linha a negro indica os limites da malha....9 Figura 4 Localização das estações de medição Figura 5 Comparação entre a variação da altura de água medida e prevista pelo modelo de maré: a) Costa Nova; b) Vagueira; c) Friopesca; d) Vista Alegre; e) Miradouro; f) Muranzel; g) Estação 35; h) Varela Figura 6 Comparação entre as velocidades medidas e prevista pelo modelo de maré: a) Costa Nova; b) Vagueira; c) Friopesca; d) Vista Alegre; e) Miradouro; f) Muranzel; g) Estação 35; h) Varela Figura 7 Séries temporais de níveis para forçamento do modelo hidrodinâmico para o ano de 2011 (extraído de Fortunato et al., 2011a) Figura 8 Comparação entre as séries de níveis estimadas durante a primeira fase do estudo (Estimado) e no marégrafo da Barra antes (Maregrafo Ncorr) e após a correcção (Maregrafo Corr) para os períodos de retorno de: a) 10 anos, b) 50 anos e c) 100 anos Figura 9 Séries temporais de níveis corrigidas para forçamento do modelo hidrodinâmico para o ano de Figura 10 Níveis máximos na Ria de Aveiro situação actual (ZH): período de retorno de 10 anos; sem vento Figura 11 Níveis máximos na Ria de Aveiro situação actual (ZH): período de retorno de 50 anos; sem vento Figura 12 Níveis máximos na Ria de Aveiro situação actual (ZH): período de retorno de 100 anos; sem vento ii Proc: 0604/541/5758

9 Figura 13 Níveis máximos na Ria de Aveiro situação actual (ZH): período de retorno de 10 anos; vento = 6.4 m/s (SW) Figura 14 Níveis máximos na Ria de Aveiro situação actual (ZH): período de retorno de 50 anos; vento = 6.4 m/s (SW) Figura 15 Níveis máximos na Ria de Aveiro situação actual (ZH): período de retorno de 100 anos; vento = 6.4 m/s (SW) Figura 16 Níveis máximos na Ria de Aveiro situação futura (ZH): período de retorno de 10 anos; subida NMM = 0.23 m Figura 17 Níveis máximos na Ria de Aveiro situação futura (ZH): período de retorno de 10 anos; subida NMM = 0.35 m Figura 18 Níveis máximos na Ria de Aveiro situação futura (ZH): período de retorno de 10 anos; subida NMM= 1 m Figura 19 Níveis máximos na Ria de Aveiro situação futura (ZH): período de retorno de 50 anos; subida NMM= 0.23 m Figura 20 Níveis máximos na Ria de Aveiro situação futura (ZH): período de retorno de 50 anos; subida NMM = 0.35 m Figura 21 Níveis máximos na Ria de Aveiro situação futura (ZH): período de retorno de 50 anos; subida NMM = 1 m Figura 22 Níveis máximos na Ria de Aveiro situação futura (ZH): período de retorno de 100 anos; subida NMM = 0.23 m Figura 23 Níveis máximos na Ria de Aveiro situação futura (ZH): período de retorno de 100 anos; subida NMM = 0.35 m Figura 24 Níveis máximos na Ria de Aveiro situação futura (ZH): período de retorno de 100 anos; subida NMM = 1 m Figura 25 Comparação o limite das zonas inundáveis da Ria de Aveiro definidas na Carta de Risco de Cheia da AMRIA e os resultados da simulação da situação actual para o período de retorno de 100 anos Figura 26 Exemplo de zonas que serão analisadas por comparação com fotografia aérea para a elaboração da carta de zonas inundáveis da Ria de Aveiro Proc: 0604/541/5758 iii

10 INUNDAÇÃO NA RIA DE AVEIRO E NO ESTUÁRIO DO MONDEGO Relatório 2: modelação da inundação na Ria de Aveiro Índice de Quadros Quadro 1 Simulações realizadas para a determinação dos níveis máximos na Ria de Aveiro...3 Quadro 2 Nomenclatura do Corine Land Cover ( clc2006) e coeficientes de Manning....7 Quadro 3 Erros quadráticos médios (RMSE) e diferenças entre os níveis máximos e mínimos ( H) medidos e previstos pelo modelo iv Proc: 0604/541/5758

11 INUNDAÇÃO NA RIA DE AVEIRO E NO ESTUÁRIO DO MONDEGO Relatório 2: modelação da inundação na Ria de Aveiro 1. Introdução 1.1. Enquadramento e objectivos A Directiva-Quadro da Água visa proteger as águas superficiais interiores, as águas de transição, as águas costeiras e as águas subterrâneas, e atingir determinados objectivos ambientais através da execução de programas de medidas especificados no Plano de Gestão das Região Hidrográfica (PGRH), que abrange, no caso da Administração da Região Hidrográfica do Centro I.P. (ARH do Centro), as bacias hidrográficas dos Rios Mondego, Vouga e Lis. Os sistemas de informação foram identificados pela ARH do Centro I.P como uma ferramenta de gestão dos recursos hídricos eficaz e eficiente, podendo contribuir para o cumprimento das metas a serem fixadas por estes PGBH. Neste contexto, a ARH do Centro adjudicou ao LNEC um contrato de prestação de serviços destinado à concepção e desenvolvimento da especificação de informação geográfica de suporte ao planeamento e gestão de recursos hídricos, à elaboração de cartas de zonas inundáveis fluviais e estuarinas e à caracterização e modelação dos aspectos quantitativos e qualitativos das massas de águas subterrâneas, aplicáveis às regiões hidrográficas sob jurisdição da ARH do Centro. O presente documento constitui o segundo relatório da componente de elaboração de cartas de zonas inundáveis estuarinas, para a Ria de Aveiro e o estuário do rio Mondego. No primeiro relatório desta componente (Fortunato et al., 2011a) desenvolveu-se a metodologia a seguir para construir os mapas de inundação destes dois sistemas costeiros, e determinaram-se as condições de forçamento para os modelos hidrodinâmicos, para vários períodos de retorno. O presente relatório apresenta as simulações efectuadas para determinar os mapas de inundação para vários períodos de retorno na Ria de Aveiro Organização do relatório Para além da presente introdução, este relatório divide-se em cinco capítulos principais e um Anexo. Na presente secção introdutória faz-se o enquadramento do problema e apresentam-se os objectivos do trabalho. A secção 2 descreve brevemente a metodologia adoptada na presente fase do estudo. Na secção 3 descrevem-se o modelo hidrodinâmico SELFE e a sua aplicação na Ria de Aveiro. De seguida, apresentam-se e discutem-se os resultados (secções 4 e 5). Finalmente, a secção 6 expõe as principais conclusões do relatório. O modelo hidrodinâmico utilizado encontra-se descrito em anexo. Proc: 0604/541/5758 1

12 2. Metodologia A presente fase do estudo visou simular a inundação das margens da Ria de Aveiro em situações extremas de elevação do nível do mar. Para este efeito utilizou-se um modelo hidrodinâmico de maré, tendo-se procedido inicialmente à sua calibração e validação por comparação com dados existentes. Seguidamente, utilizando o modelo devidamente validado, realizou-se um conjunto de simulações para determinar os níveis máximos na Ria de Aveiro na situação actual e em cenários futuros de subida do nível médio do mar. A determinação das condições de forçamento a serem utilizadas no modelo hidrodinâmico de maré para a elaboração das cartas das áreas estuarinas inundáveis da Ria de Aveiro teve por base a metodologia descrita detalhadamente no primeiro relatório apresentado (Fortunato et al., 2011a). Desta forma, na primeira fase do estudo foram determinadas as condições de forçamento de níveis para três períodos de retorno (10, 50 e 100 anos). A determinação das condições de forçamento pressupôs as seguintes hipóteses, devidamente discutidas e justificadas no relatório referido: Hipótese 1 o efeito do caudal fluvial nos níveis máximos é desprezável na maior parte da Ria de Aveiro; Hipótese 2 a correlação entre a maré e as storm-surges é muito pequena; Hipótese 3 os níveis no marégrafo da Barra são representativos dos níveis ao largo; Hipótese 4 os níveis máximos na zona de Aveiro só se estão a alterar devido à subida no nível médio do mar. Simulações preliminares realizadas durante a presente fase do estudo mostraram que, em situações de níveis mais elevados, as diferenças de níveis máximos da maré entre o marégrafo da Barra e a zona costeira tendem a ser mais significativas do que o previsto em Fortunato et al. (2011a) e superiores a 5 cm. Assim, a Hipótese 3 não se revelou inteiramente correcta, pelo que a metodologia teve de ser adaptada. Desta forma, procedeu-se à alteração do forçamento de maré, de forma a garantir ocorrência na embocadura da Ria de Aveiro das séries temporais de níveis determinadas durante a primeira fase do estudo. Este aspecto é abordado e discutido mais detalhadamente na secção 3.6. Adicionalmente, considerou-se prudente avaliar o impacto do vento nos níveis máximos que ocorrem na laguna. Com efeito, as storm surges mais significativas são acompanhadas de ventos intensos. Apesar do efeito regional destes ventos afectar os níveis no marégrafo da barra (e por isso ser tido em consideração na metodologia desenvolvida), o efeito local não é tido em conta. Dadas as baixas profundidades existentes na Ria de Aveiro, cuja profundidade média é de cerca de 1 m (Dias et al., 2000), considerou-se possível que este efeito local fosse relevante, o que não tinha sido verificado anteriormente. Realizou-se assim um conjunto de simulações para a situação actual considerando o forçamento devido ao vento (secção 3.6). A análise da situação futura foi realizada considerando três cenários de subida do nível médio do mar, para cada um dos períodos de retorno estudados. Os dois primeiros cenários correspondem aos 2 Proc: 0604/541/5758

13 cenários optimista (0.23 m) e pessimista (0.35 cm) identificados na primeira fase do estudo (Fortunato et al., 2011a). Adicionalmente considerou-se um cenário mais pessimista, correspondente a uma subida do nível médio do mar de 1 m, um valor adoptado em estudos recentes (e.g., Yates et al., 2011, Sano et al., 2011). O Quadro 1 sintetiza as simulações realizadas, sendo as condições de desenvolvimento, aplicação e validação do modelo apresentadas na secção 3. Quadro 1 Simulações realizadas para a determinação dos níveis máximos na Ria de Aveiro. Período de Retorno (anos) SV Situação Actual CV SNMM = 0.23 m Situação Futura SNMM = 0.35 m SNMM = 1 m CV Com vento; SV Sem vento; SNMM Subida do nível médio do mar Proc: 0604/541/5758 3

14 3. Aplicação do modelo na Ria de Aveiro 3.1. O modelo SELFE Nas simulações realizadas utilizou-se o modelo hidrodinâmico SELFE (Zhang e Baptista, 2008 disponível em em modo bidimensional. Este modelo resolve as equações de águas pouco profundas, considerando as aproximações hidrostática e de Boussinesq. Em modo bidimensional o modelo permite calcular a elevação da superfície livre e o campo médio da velocidade horizontal. Numericamente o modelo utiliza esquemas de elementos-finitos e de volumes finitos. Na discretização do domínio horizontal são utilizadas malhas não-estruturadas. Para o domínio vertical são utilizadas coordenadas híbridas SZ. No Anexo apresenta-se uma descrição mais detalhada deste modelo. A implementação do modelo SELFE na Ria de Aveiro baseou-se na aplicação de Rodrigues et al. (2011), tendo-se alargado a malha de cálculo horizontal para abranger toda a extensão da Ria de Aveiro e zonas potencialmente inundáveis. A batimetria do domínio de cálculo foi também actualizada com base em dados mais recentes, tendo sido desenvolvido um modelo digital de terreno que combina a informação batimétrica e topográfica. Seguidamente descrevem-se o desenvolvimento do modelo digital de terreno e da malha de cálculo. Apresentam-se também os resultados da validação do modelo desenvolvido e a descrição das condições de forçamento utilizadas nas simulações da inundação estuarina da Ria de Aveiro Modelo digital de terreno O modelo digital do terreno foi desenvolvido combinando diversas fontes de informação batimétrica e topográfica (Figura 1). Para a informação topográfica utilizaram-se dados da Comunidade Intermunicipal da Região de Aveiro (CIRA), fornecidos pela ARH do Centro. Estes dados têm uma resolução espacial da ordem de 1:10.000, com distâncias entre pontos entre cerca de 100 m e cerca de 400 m. Esta informação foi complementada com dados de em zonas onde se considerou que os dados antigos tinham melhor resolução, nomeadamente na zona de montante do canal do Espinheiro. Em todo o caso, a baixa resolução dos dados topográficos limita a precisão do modelo, e a escala a que os resultados destes devem ser analisados. Esta escala não deverá assim ultrapassar 1: a 1:40.000, conforme as zonas. A informação batimétrica de base corresponde a dados de do Instituto Hidrográfico, os quais abrangem uma área extensa da Ria de Aveiro. Na zona de jurisdição da Administração do Porto de Aveiro e na zona exterior na proximidade da Barra, a batimetria foi actualizada com dados de Nos canais de Mira, entre a Costa Nova e Vagueira, e de S. Jacinto a batimetria foi também actualizada com dados de 2008 da ARH do Centro. Por fim, a batimetria foi ainda actualizada com dados de 2011 cedidos pelo Polis Litoral Ria de Aveiro nos canais de Ílhavo e de Mira, entre a Vagueira e o Areão. Globalmente, considera-se que a batimetria disponível é a adequada. 4 Proc: 0604/541/5758

15 3.3. Construção da malha de cálculo A malha de cálculo final possui cerca de nós, com uma resolução que varia entre 1.5 km na zona costeira e cerca de 2 m nos canais mais estreitos (Figura 1 e Figura 2). A malha tem duas componentes distintas: Na zona inundada periodicamente, utilizou-se a malha de cálculo desenvolvida por Rodrigues et al. (2009). Esta malha permite resolver adequadamente o escoamento nos vários canais, principais e secundários, tendo para tal uma resolução que chega aos 2 m nos canais mais estreitos. Nas zonas potencialmente inundáveis, definidas a priori como as que estão abaixo da cota 8 m (ZH), utilizou-se uma resolução uniforme de 50 m. Este valor resulta de um balanço entre a necessidade de limitar os custos computacionais, e a utilização de uma resolução da malha numérica mais fina do que os dados disponíveis. Desta forma, a resolução da malha numérica não condiciona a precisão dos resultados. A compatibilização entre estas duas componentes da malha foi feita de forma semi-automática, através de um programa desenvolvido para o efeito (Fortunato et al., 2011b). A Figura 2 ilustra as transições obtidas. Figura 1 Malha de cálculo horizontal e topo-batimetria utilizada no modelo (referida ao nível médio do mar). Proc: 0604/541/5758 5

16 Figura 2 Exemplos de transições entre a malha das zonas imersas (a azul) e das zonas potencialmente inundáveis (a preto) 3.4. Coeficientes de atrito O atrito foi representado através de uma formulação de Manning. Nas zonas periodicamente inundadas pela maré, o coeficiente de Manning foi definido com base na experiência anterior de aplicações a este sistema e numa calibração com dados de campo (Secção 3.5). No resto do domínio, o coeficiente de Manning foi definido tendo por base as ocupações do solo presentes no Corine Land Cover (Figura 3). Apresentam-se no Quadro 2 os coeficientes de Manning utilizados em função da ocupação do solo (Atkinson et al., 2007). 6 Proc: 0604/541/5758

17 Quadro 2 Nomenclatura do Corine Land Cover ( e coeficientes de Manning. Nomenclatura Corine Land Cover Nível 1 Nível 2 Nível 3 Coef. de Manning (m 1/3.s -1 ) 1 Territórios artificializados 1.1 Tecido Urbano Tecido urbano contínuo Tecido urbano descontínuo Indústria, comércio e transportes Indústria, comércio e equipamentos gerais Áreas portuárias Aeroportos e aeródromos Áreas de extracção de inertes, áreas de deposição de resíduos e estaleiros de construção Áreas em construção Áreas agrícolas e agro-florestais 2.1 Culturas temporárias Culturas temporárias de sequeiro Culturas temporárias de regadio Arrozais Pastagens permanentes Pastagens permanentes Áreas agrícolas heterogéneas Culturas temporárias e/ou pastagens associadas a culturas permanentes Sistemas culturais e parcelares complexos Agricultura com espaços naturais e semi-naturais Florestas e meios naturais e seminaturais 3.1 Florestas Florestas de folhosas Florestas de resinosas Florestas mistas Proc: 0604/541/5758 7

18 Nomenclatura Corine Land Cover Nível 1 Nível 2 Nível 3 Coef. de Manning (m 1/3.s -1 ) 3.2 Florestas abertas, vegetação arbustiva e herbácea Vegetação herbácea natural Matos Florestas abertas, cortes e novas plantações Zonas descobertas e com pouca vegetação Praias, dunas e areais Zonas húmidas 4.2 Zonas húmidas litorais Sapais Salinas e aquicultura litoral Corpos de água 5.1 Águas interiores Cursos de água Águas marinhas e costeiras Lagoas costeiras Oceano Proc: 0604/541/5758

19 Figura 3 Ocupação do solo, com base no Corine Land Cover. A linha a negro indica os limites da malha. Proc: 0604/541/5758 9

20 3.5. Validação do modelo de maré As simulações de validação do modelo de maré foram realizadas para o período de Junho de 1997, durante 25 dias, tendo sido considerado um período de rampa de dois dias. Foram consideradas 3 fronteiras abertas: uma oceânica e duas fluviais. A fronteira oceânica foi forçada com 14 constituintes de maré (Z0, MSF, M2, S2, N2, K2, O1, K1, P1, Q1, M4, MN4, MS4 e M6) obtidos do modelo regional de Fortunato et al. (2002). As fronteiras fluviais correspondem aos rios Vouga e Antuã, os quais são as principais fontes de água doce da Ria de Aveiro (Dias et al., 2000). Nestas fronteiras considerou-se um caudal fluvial constante de 7 m 3 /s e 2.3 m 3 /s, respectivamente, com base em Rodrigues et al. (2009). O passo de cálculo utilizado foi de 30 segundos. Numa fase preliminar foram testadas duas condições de coeficiente de Manning na zona periodicamente imersa: 1. coeficiente de Manning constante de m 1/3. s -1 ; 2. coeficiente de Manning variável em função da batimetria (Dias e Lopes, 2006; Oliveira et al., 2006). Os resultados do modelo foram comparados com dados de níveis e velocidades das campanhas de Dias et al. (1999) nas estações indicadas na Figura 4. De forma a comparar quantitativamente as diferenças entre os dados e os resultados do modelo foram calculadas erros quadráticos médios (RMSE) e as diferenças entre os níveis máximos e mínimos medidos e previstos. Os resultados são apresentados apenas para a simulação com os valores de coeficiente de Manning variável na zona molhada, dado que esta simulação conduziu às menores diferenças entre os dados e o modelo, tendo sido a opção utilizada nas simulações posteriores. Figura 4 Localização das estações de medição. 10 Proc: 0604/541/5758

21 No quadro seguinte apresentam-se os RMSE para níveis e velocidades, assim como as diferenças entre os níveis máximos e mínimos medidos e previstos pelo modelo, para as várias estações localizadas ao longo dos vários canais da Ria de Aveiro. Os resultados são também apresentados na Figura 5 e na Figura 6. Quadro 3 Erros quadráticos médios (RMSE) e diferenças entre os níveis máximos e mínimos ( H) medidos e previstos pelo modelo. Estação RMSE Variação da Altura de Água (m) RMSE Velocidade (m/s) Componente N-S Componente W-E H Dados (m) H SELFE (m) Costa Nova Vagueira Friopesca Vista Alegre Miradouro Muranzel Estação Varela De um modo geral, observa-se que o modelo representa de forma razoável a dinâmica de maré ao longo dos vários braços da Ria de Aveiro, quer em termos de fase, quer em termos de amplitude. As maiores diferenças são observadas na estação da Vista Alegre, onde o modelo tende a subestimar as amplitudes. Estas diferenças poderão estar relacionadas com diferenças na batimetria, dado que o período simulado não corresponde ao período de dados de batimetria. No entanto, testes realizados para diferentes resoluções da malha de cálculo nesta área mostraram que as principais diferenças em termos de representação do modelo ocorrem no nível de baixa-mar, mantendo-se o nível de preia-mar aproximadamente constante. Na estação da Varela também se observa um erro de fase; no entanto, existe uma boa representação da amplitude, com uma diferença de 5 cm entre os dados e o modelo, sendo este parâmetro mais relevante em termos de definição das áreas inundáveis. No que se refere aos campos de velocidade o modelo representa adequadamente os valores observados. Os erros são, de um modo geral, da mesma ordem de grandeza ou inferiores a outras aplicações hidrodinâmicas na Ria de Aveiro (Vaz, 2007; Rodrigues et al., 2009). Proc: 0604/541/

22 a) b) c) d) e) f) g) h) Figura 5 Comparação entre a variação da altura de água medida e prevista pelo modelo de maré: a) Costa Nova; b) Vagueira; c) Friopesca; d) Vista Alegre; e) Miradouro; f) Muranzel; g) Estação 35; h) Varela. 12 Proc: 0604/541/5758

23 a) b) c) d) e) f) g) h) Figura 6 Comparação entre as velocidades medidas e prevista pelo modelo de maré: a) Costa Nova; b) Vagueira; c) Friopesca; d) Vista Alegre; e) Miradouro; f) Muranzel; g) Estação 35; h) Varela. Proc: 0604/541/

24 3.6. Condições de forçamento As séries temporais de níveis para o forçamento do modelo na fronteira oceânica foram inicialmente definidas de acordo com a metodologia descrita no primeiro relatório (Fortunato et al., 2011a) Figura 7. Figura 7 Séries temporais de níveis para forçamento do modelo hidrodinâmico para o ano de 2011 (extraído de Fortunato et al., 2011a). No entanto, simulações preliminares realizadas durante a presente fase do estudo mostraram que, para as condições de níveis simuladas, as quais pretendem ser representativas de storm surges e correspondem, portanto, a níveis superiores aos observados em condições típicas, as diferenças entre os níveis impostos na fronteira oceânica e os níveis observados no marégrafo da Barra tendem a ser significativamente superiores aos valores de 5 cm observados para situações típicas (Fortunato et al., 2011a). Para compreender a origem destas diferenças, realizou-se um conjunto de simulações exploratórias, as quais mostraram que parte das diferenças observadas (cerca de 50%) se deve às constituintes nãolineares. Estas constituintes não foram consideradas para a definição das séries de níveis de forçamento, dado serem geradas localmente pelo próprio modelo. No entanto, embora estas constituintes expliquem cerca de 50% da diferença observada entre os níveis forçados na fronteira oceânica e os níveis no marégrafo da Barra, a diferença entre ambos ainda apresenta valores significativos (cerca de cm). Uma possível interpretação para a maior dissipação da onda de maré entre o largo e o marégrafo da Barra em situações extremas relativamente às situações habituais analisadas em Fortunato et al. (2011a) reside no facto de a batimetria da embocadura estar adaptada às 14 Proc: 0604/541/5758

25 condições habituais. Em condições excepcionais, as velocidades são mais elevadas na embocadura, o que provoca maiores perdas de carga. Assim, para garantir a representação adequada dos níveis no marégrafo da Barra para as condições de storm surges, procedeu-se à correcção do forçamento na fronteira oceânica. Esta correcção foi efectuada multiplicando a amplitude dos níveis por uma constante (1.1). Na Figura 8 apresentam-se as comparações entre os níveis estimados durante a primeira fase do estudo e os níveis calculados pelo modelo no marégrafo da Barra antes e após a correcção, para os períodos de retorno de 10, 50 e 100 anos. Os resultados mostram que a correcção introduzida nas condições de fronteira permite efectivamente reproduzir os níveis desejados no marégrafo da Barra. a) b) c) Figura 8 Comparação entre as séries de níveis estimadas durante a primeira fase do estudo (Estimado) e no marégrafo da Barra antes (Maregrafo Ncorr) e após a correcção (Maregrafo Corr) para os períodos de retorno de: a) 10 anos, b) 50 anos e c) 100 anos. Proc: 0604/541/

26 Finalmente, a Figura 9 mostra as séries temporais corrigidas, utilizadas para forçar o modelo para a situação actual. Figura 9 Séries temporais de níveis corrigidas para forçamento do modelo hidrodinâmico para o ano de Relativamente às simulações forçadas pelo vento, considerou-se um vento constante de Sudoeste com intensidade de 6.4 m/s. Este vento foi determinado tendo por base os registos de vento observados durante quatro (1986, 1989 e 2003) das dez maiores storm surges ocorridas na Ria de Aveiro (Relatório 1, Fortunato et al., 2011a). Em termos de caudal fluvial, as simulações foram realizadas considerando caudais constantes, elevados, de 60 m 3 /s e 10 m 3 /s nos rios Vouga e Antuã, respectivamente. Estes caudais correspondem a caudais médios de Inverno, estimados com base em dados climatológicos. 16 Proc: 0604/541/5758

27 4. Resultados 4.1. Situação actual As figuras seguintes apresentam os níveis máximos na Ria de Aveiro para a situação actual (Figura 10 a Figura 15). Os resultados são apresentados para os três períodos de retorno (10, 50 e 100 anos) e para as condições de simulação sem vento e com vento constante de intensidade 6.4 m/s (SW), considerando o caudal constante. Figura 10 Níveis máximos na Ria de Aveiro situação actual (ZH): período de retorno de 10 anos; sem vento. Proc: 0604/541/

28 Figura 11 Níveis máximos na Ria de Aveiro situação actual (ZH): período de retorno de 50 anos; sem vento. Figura 12 Níveis máximos na Ria de Aveiro situação actual (ZH): período de retorno de 100 anos; sem vento. 18 Proc: 0604/541/5758

29 Figura 13 Níveis máximos na Ria de Aveiro situação actual (ZH): período de retorno de 10 anos; vento = 6.4 m/s (SW). Figura 14 Níveis máximos na Ria de Aveiro situação actual (ZH): período de retorno de 50 anos; vento = 6.4 m/s (SW). Proc: 0604/541/

30 Figura 15 Níveis máximos na Ria de Aveiro situação actual (ZH): período de retorno de 100 anos; vento = 6.4 m/s (SW) Situações futuras Nas figuras seguintes (Figura 16 a Figura 24) apresentam-se os níveis máximos na Ria de Aveiro para as situações futuras de cenários de subida do nível médio do mar (NMM). Os resultados são apresentados para os três períodos de retorno (10, 50 e 100 anos) e para os cenários de subida do nível médio do mar de 0.23 m, 0.35 m e 1 m. 20 Proc: 0604/541/5758

31 Figura 16 Níveis máximos na Ria de Aveiro situação futura (ZH): período de retorno de 10 anos; subida NMM = 0.23 m. Figura 17 Níveis máximos na Ria de Aveiro situação futura (ZH): período de retorno de 10 anos; subida NMM = 0.35 m. Proc: 0604/541/

32 Figura 18 Níveis máximos na Ria de Aveiro situação futura (ZH): período de retorno de 10 anos; subida NMM= 1 m. Figura 19 Níveis máximos na Ria de Aveiro situação futura (ZH): período de retorno de 50 anos; subida NMM= 0.23 m. 22 Proc: 0604/541/5758

33 Figura 20 Níveis máximos na Ria de Aveiro situação futura (ZH): período de retorno de 50 anos; subida NMM = 0.35 m. Figura 21 Níveis máximos na Ria de Aveiro situação futura (ZH): período de retorno de 50 anos; subida NMM = 1 m. Proc: 0604/541/

34 Figura 22 Níveis máximos na Ria de Aveiro situação futura (ZH): período de retorno de 100 anos; subida NMM = 0.23 m. Figura 23 Níveis máximos na Ria de Aveiro situação futura (ZH): período de retorno de 100 anos; subida NMM = 0.35 m. 24 Proc: 0604/541/5758

35 Figura 24 Níveis máximos na Ria de Aveiro situação futura (ZH): período de retorno de 100 anos; subida NMM = 1 m. Proc: 0604/541/

36 5. Discussão Na situação actual, os resultados mostram que a inundação devida a storm surges afecta toda a extensão da Ria de Aveiro, incluindo a zona central e os canais principais (Mira, Ílhavo, Espinheiro e S. Jacinto) desde a embocadura até às cabeceiras. Este padrão ocorre para os três períodos de retorno analisados (10, 50 e 100 anos), sendo a extensão da área inundável ligeiramente superior para o período de retorno de 100 anos. Entre os três períodos de retorno simulados os níveis máximos na embocadura variam entre os 4.13 m (ZH) para o período de retorno de 10 anos e os 4.35 m (ZH) para o período de retorno de 100 anos, o que se traduz num aumento da extensão marginal da zona inundável geralmente inferior a m (i.e., a resolução da malha de cálculo nas zonas inundáveis). O efeito do aumento do nível máximo na embocadura na extensão das zonas inundáveis é mais significativo na zona oeste da Ria a montante (zona de afluência dos rios Vouga e Antuã). A influência do vento na extensão da zona inundável é muito pouco significativa face à resolução do modelo e dos dados topográficos. Para os três períodos de retorno as diferenças entre a simulação com vento e a simulação sem vento são reduzidas, sendo visíveis apenas na zona oeste da Ria a montante. Por esta razão, não se apresentam simulações com vento para os cenários futuros. Os resultados mostram ainda que, mesmo para o caso mais gravoso (período de retorno de 100 anos e subida do nível médio do mar de 1 m - Figura 24), os limites da malha (8 m ZH) não são atingidos. Verifica-se assim, a posteriori, que estes limites foram definidos correctamente. De forma a validar os resultados obtidos no presente estudo, procedeu-se à sua comparação com a Carta de Risco de Cheia desenvolvida pela Universidade de Aveiro para Associação de Municípios da Ria de Aveiro (AMRIA) Figura 25. A elaboração desta Carta de Risco de Cheia teve por base a inventariação e o levantamento topográfico de marcas de cheia e de áreas inundáveis nos municípios da Ria de Aveiro (Universidade de Aveiro, 2007). Os resultados mostram uma boa concordância entre as zonas inundáveis previstas pelo modelo e as estimadas na Carta de Risco de Cheia da AMRIA, na zona comum do domínio de estudo. Note-se que as zonas fluviais se encontram fora da área de abrangência do presente relatório. As diferenças observadas na Figura 25 entre os dois estudos devem-se, quer à própria metodologia utilizada, quer à informação de base, nomeadamente a topográfica e batimétrica, utilizadas para o desenvolvimento do estudo. Os resultados atrás apresentados evidenciam também pequenas zonas não inundáveis na proximidade de zonas inundáveis (e.g. Figura 26), as quais são consideradas zonas inundáveis no estudo da AMRIA. Este facto poderá dever-se à informação topográfica utilizada, a qual apresenta em algumas áreas uma resolução relativamente grosseira. Desta forma, na fase final do trabalho para a elaboração da carta de zonas inundáveis da Ria de Aveiro, cada uma destas zonas será analisada detalhadamente, por comparação com fotografia aérea, de forma a aferir a sua classificação como área inundável. Adicionalmente, e em articulação com o estudo para a definição das zonas inundáveis por cheias de origem fluvial, será analisada a influência do caudal fluvial na zona de montante da Ria de Aveiro e compatibilizados os resultados dos dois estudos. 26 Proc: 0604/541/5758

37 Zonas Inundáveis - AMRIA Figura 25 Comparação o limite das zonas inundáveis da Ria de Aveiro definidas na Carta de Risco de Cheia da AMRIA e os resultados da simulação da situação actual para o período de retorno de 100 anos. Na situação futura observa-se um aumento dos níveis máximos no interior da Ria de Aveiro, associados à subida do nível do mar. Este aumento dos níveis máximos na Ria traduz-se num aumento da extensão das zonas inundáveis por cheias de origem marítima. Para o cenário mais pessimista, de subida do nível do mar de 1 m, toda a extensão da Ria fica inundada para os vários períodos de retorno, sendo as diferenças mais evidentes no canal de S. Jacinto. Nas situações de subida do nível médio do mar 0.23 m e 0.35 m, o efeito em termos de extensão da área inundável é mais reduzido. Proc: 0604/541/

38 Figura 26 Exemplo de zonas que serão analisadas por comparação com fotografia aérea para a elaboração da carta de zonas inundáveis da Ria de Aveiro. 28 Proc: 0604/541/5758

39 6. Conclusões O presente relatório apresenta a determinação dos níveis máximos de inundação na zona estuarina da Ria de Aveiro através da aplicação do modelo hidrodinâmico SELFE, visando a posterior elaboração de cartas de zonas inundáveis nesta área. Seguiu-se a metodologia desenvolvida anteriormente no primeiro relatório deste estudo (Fortunato et al., 2011a), com a introdução de ligeiras melhorias. O desenvolvimento do modelo incluiu a elaboração da malha de cálculo para o domínio de estudo e do respectivo modelo digital do terreno. Foram também definidos os coeficientes de atrito, tendo por base os usos do solo identificados no Corine Land Cover. O modelo foi validado para o período de Junho de 1997, por comparação com dados de níveis e velocidades em várias estações localizadas ao longo dos canais da Ria de Aveiro. Os resultados mostraram a capacidade do modelo de representar adequadamente a hidrodinâmica da Ria de Aveiro, com erros de níveis e velocidades da mesma ordem de grandeza ou inferiores aos obtidos em simulações hidrodinâmicas anteriores de vários autores. Salienta-se no entanto que a precisão dos mapas de inundação é limitada pela resolução dos dados topográficos disponíveis. A escala destes mapas será da ordem de 1: a 1:40.000, dependendo das zonas. Posteriormente foram realizadas as simulações para determinação dos níveis máximos na Ria de Aveiro para situação actual (2011) e para três cenários de subida do nível médio do mar (0.23 m, 0.35 m e 1 m). As simulações foram realizadas para três períodos de retorno (10, 50 e 100 anos), tendo por base as séries de níveis definidas durante a primeira fase do estudo e a metodologia apresentada no relatório 1. As simulações preliminares realizadas evidenciaram a necessidade de proceder à correcção destas séries de forma a garantir os níveis pretendidos no marégrafo da Barra. O efeito do vento foi também avaliado e considerado desprezável. Os resultados mostraram que a inundação marítima afecta, de um modo geral, toda a extensão da Ria de Aveiro, incluindo a zona central e os canais principais (Mira, Ílhavo, Espinheiro e S. Jacinto) desde a embocadura até às cabeceiras, sendo a área inundável ligeiramente superior para o período de retorno de 100 anos. Para os cenários futuros, de subida do nível do mar, observa-se um aumento da extensão da área inundável e dos níveis máximos no interior da Ria de Aveiro, o qual é mais significativo para a subida do nível do mar de 1 m, em particular no canal de S. Jacinto. Os resultados obtidos na presente fase do estudo foram comparados com a Carta de Risco de Cheia elaborada pela Universidade de Aveiro para a AMRIA, tendo mostrado uma boa concordância, o que permitiu validar a metodologia utilizada. Proc: 0604/541/

40

41 Referências Atkinson, J., L. Zevenbergen e J. Westerink (2007). Deriving friction parameters from land-use data sets, relatório, não publicado. Fortunato, A.B., L. Pinto, A. Oliveira e J.S. Ferreira (2002). Tidally generated shelf waves off the western Iberian coast, Continental Shelf Research, 22 (14), Fortunato, A.B., M. Rodrigues e F. Brito (2011a). Inundação na Ria de Aveiro e no Estuário do Mondego. Relatório 1: determinação dos níveis extremos na embocadura da Ria de Aveiro, Rel. 119/11 - NEC, Laboratório Nacional de Engenharia Civil. Fortunato, A.B., N. Bruneau, A. Azevedo, M.A.V.C. Araújo e A. Oliveira (2011b). Automatic improvement of unstructured grids for coastal simulations Journal of Coastal Research, SI64: Dias, J.M. e J.F. Lopes (2006). Implementation and assessment of hydrodynamic, salt and heat transport models: the case of Ria de Aveiro Lagoon. Environmental Modeling and Software, 21, Dias, J.M., J.F. Lopes e I. Dekeyser. (1999). Hydrological characterisation of Ria de Aveiro, Portugal, in early summer, Oceanologica Acta, 22, Dias, J.M., J.F. Lopes e I. Dekeyser (2000). Tidal propagation in Ria de Aveiro lagoon, Portugal. Physics and Chemistry of the Earth, 25: Oliveira, A., A.B. Fortunato e J.M. Dias (2006). Numerical modeling of the Aveiro inlet dynamics, Coastal Engineering, Rodrigues, M., A. Oliveira, H. Queiroga, A.B. Fortunato e Y.J. Zhang (2009). Three-Dimensional Modeling of the Lower Trophic Levels in the Ria de Aveiro (Portugal), Ecological Modelling, 220, Rodrigues, M., A. Oliveira, H. Queiroga e V. Brotas (2011). Seasonal and diurnal water quality dynamics along a salinity gradient (Mira channel, Aveiro lagoon, Portugal). Procedia Environmental Science, em impressão. Sano, M., A. Golshani, K.D. Splinter, D. Strauss, W. Thurston e R. Tomlinson (2011). A detailed assessment of vulnerability to climate change in the Gold Coast, Australia, Journal of Coastal Research, SI 64: Universidade de Aveiro (2007). Definição das condições de risco de cheia, incêndios florestais, erosão costeira e industriais na área de intervenção da AMRIA, Volumes I e II. Vaz, N. (2007). Estudo dos processos de transporte de calor e de sal no Canal do Espinheiro (Ria de Aveiro), Dissertação apresentada para a obtenção do grau de Doutor em Física, Universidade de Aveiro. Yates, M.L., G. le Cozannet e N. Lenôtre (2011). Quantifying errors in long-term coastal erosion and inundation hazard assessments, Journal of Coastal Research, SI64: Zhang, Y. e A.M Baptista (2008). SELFE: A semi-implicit Eulerian-Lagrangian finite-element model for cross-scale ocean circulation, Ocean Modeling, 21(3-4), Proc: 0604/541/

42

43 INUNDAÇÃO NA RIA DE AVEIRO E NO ESTUÁRIO DO MONDEGO Relatório 2: modelação da inundação na Ria de Aveiro ANEXO: Modelo hidrodinâmico SELFE Proc: 0604/541/

44

45 Proc: 0604/541/ A.1 Descrição do modelo hidrodinâmico SELFE A.1.1 Formulção Física O SELFE Semi-implicit Eulerian Lagrangian finite-element (Zhang e Baptista, 2008) é um modelo de malhas não-estruturadas, desenvolvido para a simulação da circulação baroclínica a diferentes escalas espaciais, desde o rio até ao oceano. Este modelo calcula a elevação da superfície livre e os campos tridimensionais de velocidade, salinidade e temperatura, resolvendo as equações tridimensionais de águas pouco profundas. Estas equações consideram as aproximações hidrostática e de Boussinesq, e representam as leis de conservação de massa/volume, momento, sal e calor: = 0 z w y v x u (1) 0 d d = η η η h h z v y z u x t (2) ( ) = z u z y u y x u x x g p g x fv z u w y u v x u u t u z w a ν µ µ ζ ρ ρ ρ αψ η η d ˆ 0 0 (3) ( ) = z v z y v y x v x y g p g y fu z v w y v v x v u t v z w a ν µ µ ζ ρ ρ ρ αψ η η d ˆ 0 0 (4) F s z S z z S w y S v x S u t S = κ (5) h p F C Q z T z z T z y T v x T u t T = ρ 0 κ & (6) onde u e v são as componentes horizontais da velocidade (m s -1 ), w é a componente vertical da velocidade (m s -1 ), (x,y) são as coordenadas cartesianas horizontais (m), z é a coordenada vertical (m), t é o tempo (s), η(x,y,t) é a elevação da superfície livre (m), h(x,y) é a profundidade (m), f é o factor de Coriolis (s -1 ), g é a aceleração da gravidade (m s -2 ), ψˆ é o potencial da maré (m), α é o factor efectivo de elasticidade da Terra (adimensional), ρ w (x,y,z,t) é a massa volúmica da água (kg m -3 ), ρ 0 é a massa volúmica de referência da água (considerada 1025 kg m -3 ), p a (x,y,t) é a pressão atmosférica na

46 superfície livre (N m -2 ), S é a salinidade da água, T é a temperatura da água (ºC), µ é o coeficiente de viscosidade turbulenta horizontal (m 2 s -1 ), ν é o coeficiente de viscosidade turbulenta vertical (m 2 s -1 ), κ é o coeficiente de difusividade turbulenta vertical para o transporte (m 2 s -1 ), F h e F s representam a difusão horizontal para as equações de transporte, C p é calor específico da água (J kg -1 K -1 ) e Q& é a taxa de absorção da radiação solar (W m -2 ). O modelo SELFE pode também ser utilizado em modo bidimensional, calculando a elevação da superfície livre e o campo de velocidade horizontal. Este modelo inclui ainda um módulo de transporte que permite ao utilizador simular um conjunto de traçadores genéricos, para além da salinidade e da temperatura: C t C u x C v y C w z = C κ Fc ΛC (7) z z sendo C um traçador genérico, F c o termo que representa a difusão horizontal e ΛC o termo de fontes e sumidouros. O sistema de equações diferenciais (1)-(6) é fechado com: a) a equação de estado que descreve a massa volúmica da água como função da salinidade e da temperatura; b) a definição de potencial de maré e do factor de Coriolis; c) as parametrizações da mistura vertical e horizontal, através das equações de fecho de turbulência; e d) as condições de fronteira e iniciais adequadas. Para o fecho de turbulência, o SELFE utiliza o modelo Generic Length Scale (GLS) de Umlauf e Burchard (2003), o qual tem a vantagem de abranger a maioria dos modelos de fecho de 2.5 equações: k-ε (Rodi, 1984); k-ω (Wilcox, 1998); k-kl (Mellor e Yamada, 1982). As condições de fronteira verticais para as equações de quantidade de movimento horizontais desempenham um papel importante na formulação numérica do SELFE, em particular a condição de fronteira de fundo. O modelo utiliza esta condição fronteira para desacoplar a equação da superfície livre das equações de quantidade de movimento. À superfície (z=η), a condição fronteira resulta do balanço entre a tensão de Reynolds e a tensão de atrito devido ao vento: u v ν = τ wx e ν = τ (8) wy z z onde τ wx e τ wy são as tensões de atrito devido ao vento à superfície segundo cada uma das direcções horizontais, as quais podem ser parametrizadas utilizando a aproximação de Zeng et al. (1998) ou a aproximação simples de Pond e Pickard (1998). No fundo (z=-h), a condição fronteira deriva do balanço entre a tensão de Reynolds e a tensão de atrito de fundo (τ bx e τ by ): 36 Proc: 0604/541/5758

47 u v ν = τ bx e ν = τ (9) by z z A forma específica do atrito de fundo, τ b, depende do tipo de camada limite de fundo considerada. No caso de uma camada limite de fundo turbulenta, o atrito de fundo é dado por: ( τ, τ ) C ( u, v )( u, v ) bx by = d b b b b (10) onde C d é o coeficiente de atrito, e u b e v b são as componentes u e v da velocidade medidas no topo da célula computacional do fundo. O coeficiente de atrito pode ser especificado directamente pelo utilizador. Em alternativa o utilizador pode especificar a rugosidade de fundo ou o coeficiente de Manning. Na primeira situação, o coeficiente de atrito é dado por: C d 1 δb = ln κ0 z0 2 (11) onde κ 0 = 0.4 é a constante de von Karman, z 0 é a rugosidade de fundo (m) e δ b é a espessura da célula computacional do fundo (m). Na segunda situação, o coeficiente de atrito é determinado por: 2 n C d = g (12) 1/ 3 H onde g (9.8 m s -2 ) é a aceleração da gravidade, n é o coeficiente de Manning e H é a altura total da coluna de água (m). A.1.2 Formulação Numérica No que se refere à formulação numérica, o SELFE resolve o sistema de equações diferenciais através de esquemas de elementos finitos e volume finitos. A todas as equações são aplicados esquemas semiimplícitos, permitindo melhorar a estabilidade e maximizar a eficiência. As equações de continuidade e de quantidade de movimento (equações (2), (3) e (4)) são resolvidas em simultâneo, o que permite ultrapassar as condições de estabilidade mais restritivas (eg. associadas ao número de Courant). Para a resolução dos termos advectivos nas equações de quantidade de movimento, o SELFE utiliza um método Euleriano-Lagrangeano (ELM). Os termos advectivos nas equações de transporte (equações (5) e (6)) podem ser resolvidos com métodos de ELM, upwind de volumes finitos (FVUM) ou Total Variation Diminishing (TVD). Para a discretização do domínio de cálculo, o SELFE utiliza malhas triangulares não estruturadas na direcção horizontal e coordenadas verticais híbridas na vertical (coordenadas S e coordenadas Z). A utilização de coordenadas híbridas SZ permite uma maior flexibilidade na representação da batimetria. A origem do eixo dos z é o nível médio do mar (NMM). As camadas S (Song e Haidvogel, 1994) estão Proc: 0604/541/

48 colocadas no topo de uma série de camadas Z, com a divisão entre as camadas S e Z localizada no nível K z (z=-h s ) Figura A.1. Níveis S Níveis Z Figura A.1 Esquema da malha vertical e do sistema de coordenadas híbridas SZ. Adaptado de Zhang e Baptista (2008). N z é a superfície livre ao longo de todo o domínio, h s é a profundidade de transição entre as camadas S e Z. Referências Mellor, G.L. e T. Yamada (1982). Development of a turbulence closure model for geophysical fluid problems, Reviews of Geophysics, 20, Pond, S. e G.L. Pickard (1998). Introductory Dynamical Oceanography, Butterworth-Heinmann. Rodi, W. (1984). Turbulence models and their applications in hydraulics: a state of the arte review, International Association for Hydraulics Research, Delft, Holanda. Song, Y. e D. Haidvogel (1994). A semi-implicit ocean circulation model using a generalized topographyfollowing coordinate system, Journal of Computational Physics, 115, Umlauf, L., H. Burchard (2003). A generic length-scale equation for geophysical turbulence models, Journal of Marine Research, 6, Wilcox, D.C. (1998). Reassessement of scale determining equation for advance turbulence models, AIAA Journal, 26, Zeng, X., M. Zhao e R.E. Dickinson (1998). Intercomparison of bulk aerodynamic algorithms for the computation of sea surface fluxes using TOGA COARE and TAO data, Journal of Climate, 11, Zhang, Y. e A.M Baptista (2008). SELFE: A semi-implicit Eulerian-Lagrangian finite-element model for cross-scale ocean circulation, Ocean Modeling, 21(3-4), Proc: 0604/541/5758

49 Divisão de Divulgação Científica e Técnica - LNEC